JP6568631B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

酸化物半導体膜と、該酸化物半導体膜を用いる半導体装置に関する。   The present invention relates to an oxide semiconductor film and a semiconductor device using the oxide semiconductor film.

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装
置全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。
Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices.

液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルフ
ァスシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用
いたトランジスタは、ガラス基板の大面積化に容易に対応することができる。しかし、ア
モルファスシリコンを用いたトランジスタは、電界効果移動度が低いという欠点を有して
いる。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタは電界効果移動度が高いが、ガラス基
板の大面積化には適していないという欠点を有している。
As represented by a liquid crystal display device, a transistor formed on a glass substrate or the like is formed of amorphous silicon, polycrystalline silicon, or the like. A transistor using amorphous silicon can easily cope with an increase in the area of a glass substrate. However, a transistor using amorphous silicon has a drawback of low field effect mobility. In addition, a transistor using polycrystalline silicon has high field effect mobility, but has a defect that it is not suitable for increasing the area of a glass substrate.

このような欠点を有するシリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用い
てトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。
例えば酸化物半導体として、In、Zn、Ga、Snなどを含む非晶質酸化物を用いてト
ランジスタを作製する技術が特許文献1で開示されている。また、同様のトランジスタを
作製して表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献2で開示されて
いる。
In contrast to a transistor using silicon having such a defect, a technique in which a transistor is manufactured using an oxide semiconductor and applied to an electronic device or an optical device has attracted attention.
For example, Patent Document 1 discloses a technique for manufacturing a transistor using an amorphous oxide containing In, Zn, Ga, Sn, or the like as an oxide semiconductor. Patent Document 2 discloses a technique in which a similar transistor is manufactured and used for a switching element of a pixel of a display device.

また、このようなトランジスタに用いる酸化物半導体について、「酸化物半導体は不純
物に対して鈍感であり、膜中にはかなりの金属不純物が含まれていても問題がなく、ナト
リウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソーダ石灰ガラスも使える」といっ
たことも述べられている(非特許文献1参照)。
As for an oxide semiconductor used for such a transistor, “the oxide semiconductor is insensitive to impurities, and there is no problem even if the film contains a considerable amount of metal impurities. It is also stated that inexpensive soda-lime glass containing a large amount can be used (see Non-Patent Document 1).

特開2006−165529号公報JP 2006-165529 A 特開2006−165528号公報JP 2006-165528 A

神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、2009年9月号、Vol.44、p.621−633Kamiya, Nomura, Hosono, “Physical Properties of Amorphous Oxide Semiconductors and Current Status of Device Development”, Solid State Physics, September 2009, Vol. 44, p. 621-633

しかし、酸化物半導体膜および当該酸化物半導体膜を用いた半導体装置の作製工程にお
いて、酸化物半導体膜に酸素欠陥に代表されるような欠陥が生じたり、キャリアの供給源
となる水素の混入などが生じると、酸化物半導体膜の電気伝導度が変化する恐れがある。
このような現象は、酸化物半導体膜を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動の要
因となり、半導体装置の信頼性を低下させることになる。
However, in a manufacturing process of an oxide semiconductor film and a semiconductor device using the oxide semiconductor film, a defect typified by an oxygen defect is generated in the oxide semiconductor film, hydrogen mixed as a carrier supply source, or the like If this occurs, the electrical conductivity of the oxide semiconductor film may change.
Such a phenomenon causes a variation in electrical characteristics of a transistor including an oxide semiconductor film, and decreases the reliability of the semiconductor device.

このような酸化物半導体膜は、可視光や紫外光に照射されることにより、特に電気伝導
度が変化するおそれがある。このような現象も、酸化物半導体膜を用いたトランジスタに
とって電気的特性の変動の要因となり、半導体装置の信頼性を低下させることになる。
When such an oxide semiconductor film is irradiated with visible light or ultraviolet light, the electrical conductivity may change. Such a phenomenon also causes variation in electrical characteristics for a transistor including an oxide semiconductor film, and decreases the reliability of the semiconductor device.

このような問題に鑑み、より電気伝導度の安定した酸化物半導体膜を提供することを課
題の一とする。また、当該酸化物半導体膜を用いることにより、半導体装置に安定した電
気的特性を付与し、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。
In view of such a problem, an object is to provide an oxide semiconductor film with more stable electrical conductivity. Another object is to provide a highly reliable semiconductor device with the use of the oxide semiconductor film which can impart stable electrical characteristics to the semiconductor device.

開示する発明の一態様は、結晶性を有する領域を含み、当該結晶性を有する領域は、a
−b面が膜表面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直である結晶よりなる酸化物半
導体膜である。つまり、当該酸化物半導体膜に含まれる結晶性を有する領域は、c軸配向
している。なお、当該酸化物半導体膜は非単結晶である。また、当該酸化物半導体膜全体
が非晶質状態(アモルファス状態)となることはない。
One embodiment of the disclosed invention includes a region having crystallinity, and the region having crystallinity includes a
The oxide semiconductor film is made of a crystal whose -b plane is substantially parallel to the film surface and whose c-axis is substantially perpendicular to the film surface. That is, the crystalline region included in the oxide semiconductor film is c-axis aligned. Note that the oxide semiconductor film is non-single-crystal. In addition, the entire oxide semiconductor film is not in an amorphous state (amorphous state).

開示する発明の一態様は、結晶性を有する領域を含み、結晶性を有する領域は、a−b
面が膜表面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直である結晶よりなり、c軸方向か
ら電子線を照射した電子線回折強度測定において、散乱ベクトルの大きさが3.3nm
以上4.1nm−1以下のピークにおける半値全幅と、散乱ベクトルの大きさが5.5
nm−1以上7.1nm−1以下のピークにおける半値全幅が0.2nm−1以上である
酸化物半導体膜である。
One embodiment of the disclosed invention includes a region having crystallinity, and the region having crystallinity includes ab
In an electron beam diffraction intensity measurement in which the surface is substantially parallel to the film surface and the c-axis is substantially perpendicular to the film surface and the electron beam is irradiated from the c-axis direction, the size of the scattering vector is 3.3 nm
The full width at half maximum at the peak of 1 to 4.1 nm −1 and the size of the scattering vector is 5.5.
FWHM in nm -1 or 7.1 nm -1 or less of the peak is an oxide semiconductor film is 0.2 nm -1 or more.

上記において、散乱ベクトルの大きさが3.3nm−1以上4.1nm−1以下のピー
クにおける半値全幅が0.4nm−1以上0.7nm−1以下であり、散乱ベクトルの大
きさが5.5nm−1以上7.1nm−1以下のピークにおける半値全幅が0.45nm
−1以上1.4nm−1以下であることが好ましい。また、ESR測定におけるg=1.
93近傍のピークのスピン密度が1.3×1018(spins/cm)より小さいこ
とが好ましい。また、上記酸化物半導体膜は、結晶性を有する領域を複数含み、結晶のa
軸あるいはb軸の方向は、互いに異なっていてもよい。また、InGaO(ZnO)
(mは非自然数)で表される構造を有することが好ましい。
In the above, the magnitude of the scattering vector full width at half maximum in the following peaks 3.3 nm -1 or 4.1 nm -1 or less 0.4 nm -1 or 0.7 nm -1, the magnitude of the scattering vector 5. 5 nm -1 or 7.1 nm -1 FWHM in the following peaks 0.45nm
−1 or more and 1.4 nm −1 or less are preferable. Further, g = 1.
It is preferable that the spin density of a peak near 93 is smaller than 1.3 × 10 18 (spins / cm 3 ). The oxide semiconductor film includes a plurality of regions having crystallinity, and a crystal a
The direction of the axis or the b axis may be different from each other. InGaO 3 (ZnO) m
It is preferable to have a structure represented by (m is a non-natural number).

また、開示する発明の他の一態様は、第1の絶縁膜と、第1の絶縁膜上に設けられた、
結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜と接するように設けられた
ソース電極およびドレイン電極と、酸化物半導体膜上に設けられた第2の絶縁膜と、第2
の絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を有し、結晶性を有する領域は、a−b面が膜表
面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直である結晶よりなる半導体装置である。
Another embodiment of the disclosed invention is provided on the first insulating film and the first insulating film.
An oxide semiconductor film including a crystalline region; a source electrode and a drain electrode provided in contact with the oxide semiconductor film; a second insulating film provided over the oxide semiconductor film;
And a region having crystallinity is a semiconductor made of a crystal whose ab plane is substantially parallel to the film surface and whose c-axis is substantially perpendicular to the film surface. Device.

また、開示する発明の他の一態様は、ゲート電極と、ゲート電極上に設けられた第1の
絶縁膜と、第1の絶縁膜上に設けられた、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜と、
酸化物半導体膜と接するように設けられたソース電極およびドレイン電極と、酸化物半導
体膜上に設けられた第2の絶縁膜と、を有し、結晶性を有する領域は、a−b面が膜表面
に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直である結晶よりなる半導体装置である。
Another embodiment of the disclosed invention is an oxide including a gate electrode, a first insulating film provided over the gate electrode, and a region having crystallinity provided over the first insulating film A semiconductor film;
A source electrode and a drain electrode provided so as to be in contact with the oxide semiconductor film and a second insulating film provided over the oxide semiconductor film; The semiconductor device is made of a crystal that is substantially parallel to the film surface and whose c-axis is substantially perpendicular to the film surface.

上記において、第1の絶縁膜と酸化物半導体膜の間に第1の金属酸化物膜を有し、第1
の金属酸化物膜は、酸化ガリウムと酸化亜鉛とを含み、且つ結晶性を有する領域を含み、
結晶性を有する領域は、a−b面が膜表面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直で
ある結晶よりなることが好ましい。また、第1の金属酸化物膜において、酸化亜鉛の物質
量は酸化ガリウムの物質量の25%未満であることが好ましい。また、酸化物半導体膜と
第2の絶縁膜の間に第2の金属酸化物膜を有し、第2の金属酸化物膜は、酸化ガリウムと
酸化亜鉛とを含み、且つ結晶性を有する領域を含み、結晶性を有する領域は、a−b面が
膜表面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直である結晶よりなることが好ましい。
また、第2の金属酸化物膜において、酸化亜鉛の物質量は酸化ガリウムの物質量の25%
未満であることが好ましい。
In the above, the first metal oxide film is provided between the first insulating film and the oxide semiconductor film, and the first
The metal oxide film includes gallium oxide and zinc oxide, and includes a region having crystallinity,
The region having crystallinity is preferably made of a crystal whose ab plane is substantially parallel to the film surface and whose c-axis is substantially perpendicular to the film surface. In the first metal oxide film, the amount of zinc oxide is preferably less than 25% of the amount of gallium oxide. The second metal oxide film is provided between the oxide semiconductor film and the second insulating film, and the second metal oxide film includes gallium oxide and zinc oxide and has crystallinity. The region having a crystallinity is preferably made of a crystal having an ab plane substantially parallel to the film surface and a c-axis substantially perpendicular to the film surface.
In the second metal oxide film, the amount of zinc oxide is 25% of the amount of gallium oxide.
It is preferable that it is less than.

なお、本明細書等において、A面がB面に概略平行とはA面の法線とB面の法線がなす
角度が0°以上20°以下の状態を指すものとする。また、本明細書等において、C線が
B面に概略垂直とはC線とB面の法線がなす角度が0°以上20°以下の状態を指すもの
とする。
In this specification and the like, the A plane being substantially parallel to the B plane refers to a state where the angle formed by the normal of the A plane and the normal of the B plane is 0 ° or more and 20 ° or less. In addition, in this specification and the like, the C line being substantially perpendicular to the B plane means a state where the angle formed by the normal line between the C line and the B plane is 0 ° or more and 20 ° or less.

結晶性を有する領域を含み、当該結晶性を有する領域は、a−b面が膜表面に概略平行
であり、c軸が膜表面に概略垂直である酸化物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、
可視光や紫外光などの照射に対してもより電気的に安定な構造を有する。このような酸化
物半導体膜をトランジスタに用いることによって、安定した電気的特性を有する、信頼性
の高い半導体装置を提供することができる。
An oxide semiconductor film including a region having crystallinity, in which the ab plane is substantially parallel to the film surface and the c-axis is substantially perpendicular to the film surface, the electric conductivity is stable. And
It has a more electrically stable structure against irradiation with visible light or ultraviolet light. By using such an oxide semiconductor film for a transistor, a highly reliable semiconductor device having stable electrical characteristics can be provided.

本発明の一態様に係る断面TEM像。4 is a cross-sectional TEM image according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る結晶構造の平面図および断面図。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of a crystal structure according to one embodiment of the present invention. 電子状態密度計算の結果を示す図。The figure which shows the result of electronic density of states calculation. 酸素欠陥を有するアモルファス状の酸化物半導体のバンドダイアグラム。A band diagram of an amorphous oxide semiconductor having oxygen defects. 酸素欠陥を有するアモルファス状の酸化物半導体における再結合モデル。A recombination model in an amorphous oxide semiconductor having oxygen defects. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製工程を説明する断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. スパッタリング装置を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining a sputtering device. 種結晶の結晶構造を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the crystal structure of a seed crystal. 本発明の一態様に係る半導体装置の作製工程を説明する断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を説明する断面図。6A and 6B are cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置を説明する断面図。6A and 6B are cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る半導体装置のバンド構造を説明する図。6A and 6B illustrate a band structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施例に係る断面TEM像。The cross-sectional TEM image which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る平面TEM像。The plane TEM image which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る電子線回折パターン。The electron diffraction pattern which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る平面TEM像および電子線回折パターン。The plane TEM image and electron diffraction pattern which concern on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る電子線回折強度のグラフ。The graph of the electron beam diffraction intensity which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る電子線回折強度の第1ピークの半値全幅のグラフ。The graph of the full width at half maximum of the 1st peak of the electron beam diffraction intensity which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る電子線回折強度の第2ピークの半値全幅のグラフ。The graph of the full width at half maximum of the 2nd peak of the electron beam diffraction intensity which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係るXRDスペクトル。The XRD spectrum which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係るXRDスペクトル。The XRD spectrum which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係るESR測定の結果のグラフ。The graph of the result of the ESR measurement which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る量子化学計算に用いた酸素欠陥のモデル。The oxygen defect model used for the quantum chemical calculation which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る低温PL測定の結果のグラフ。The graph of the result of the low-temperature PL measurement which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る光負バイアス劣化測定の結果のグラフ。The graph of the result of the optical negative bias deterioration measurement which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る光応答欠陥評価法における光電流のグラフ。The graph of the photocurrent in the photoresponsive defect evaluation method based on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係るTDS分析の結果。The result of the TDS analysis which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係るSIMS分析の結果。The result of SIMS analysis concerning one example of the present invention. 本発明の一態様を示すブロック図及び等価回路図。1A and 1B are a block diagram and an equivalent circuit diagram illustrating one embodiment of the present invention. 本発明の一態様を示す電子機器の外観図。1 is an external view of an electronic device according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係る断面TEM像。4 is a cross-sectional TEM image according to one embodiment of the present invention.

本発明の実施の形態及び実施例について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明
は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以
下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以
下に説明する本発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の
符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
Embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments and examples below. Note that in structures of the present invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、
明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されな
い。
Note that in each drawing described in this specification, the size of each component, the thickness of a layer, or a region is
May be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

また、本明細書にて用いる第1、第2、第3などの用語は、構成要素の混同を避けるた
めに付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」を
「第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
Further, the terms such as first, second, and third used in this specification are given for avoiding confusion between components, and are not limited numerically. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明に係る一態様として、酸化物半導体膜について、図1乃至図
5を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, as one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film will be described with reference to FIGS.

本実施の形態に係る酸化物半導体膜は、結晶性を有する領域を含む。当該結晶性を有す
る領域は、a−b面が膜表面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直である結晶より
なる。つまり、当該酸化物半導体膜に含まれる結晶性を有する領域は、c軸配向している
。当該結晶性を有する領域の断面を観察すると、層状に配列した原子が基板から表面に向
かって積層した構造であり、結晶のc軸が表面に概略垂直となっている。また、このよう
にc軸が配向した結晶性を有する領域を含むので、当該酸化物半導体膜を、C Axis
Aligned Crystalline Oxide Semiconductor
; CAAC−OS膜ともよぶ。
The oxide semiconductor film according to this embodiment includes a region having crystallinity. The region having crystallinity is made of a crystal whose ab plane is substantially parallel to the film surface and whose c-axis is substantially perpendicular to the film surface. That is, the crystalline region included in the oxide semiconductor film is c-axis aligned. When the cross section of the crystalline region is observed, it is a structure in which atoms arranged in layers are stacked from the substrate toward the surface, and the c-axis of the crystal is substantially perpendicular to the surface. In addition, the oxide semiconductor film includes C Axis because it includes a crystalline region in which the c-axis is aligned.
Aligned Crystalline Oxide Semiconductor
; Also called a CAAC-OS film.

ここで、実際に作製した、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜の断面TEM像を
図1に示す。図1中の矢印が示すように、層状に原子が配向した、すなわちc軸が配向し
た結晶性を有する領域21が、酸化物半導体膜中に確かに観察される。
Here, FIG. 1 shows a cross-sectional TEM image of an oxide semiconductor film that includes a region having crystallinity that was actually manufactured. As indicated by the arrows in FIG. 1, a region 21 in which atoms are aligned in a layered manner, that is, a crystalline region 21 in which the c axis is aligned is surely observed in the oxide semiconductor film.

また、同様に結晶性を有する領域22が酸化物半導体膜中に観察され、結晶性を有する
領域21および結晶性を有する領域22は、非晶質構造を有する領域に3次元的に囲まれ
ている。このように当該酸化物半導体膜中には複数の結晶性を有する領域が存在するが、
図1中に結晶粒界は観察されておらず、酸化物半導体膜全体においても結晶粒界は観察さ
れなかった。
Similarly, a crystalline region 22 is observed in the oxide semiconductor film, and the crystalline region 21 and the crystalline region 22 are three-dimensionally surrounded by a region having an amorphous structure. Yes. As described above, a region having a plurality of crystallinities exists in the oxide semiconductor film.
In FIG. 1, no crystal grain boundary was observed, and no crystal grain boundary was observed in the entire oxide semiconductor film.

また、図1において、結晶性を有する領域21と結晶性を有する領域22は非晶質構造
の領域を介して隔離されているが、結晶性を有する領域21および結晶性を有する領域2
2の層状に配向した原子が同じくらいの間隔で積層しているように見え、非晶質構造の領
域を越えて連続的に層を形成しているように見える。
Further, in FIG. 1, the crystalline region 21 and the crystalline region 22 are separated by a region having an amorphous structure, but the crystalline region 21 and the crystalline region 2 are separated.
The two layer-oriented atoms appear to be stacked at the same interval, and appear to form a layer continuously beyond the region of the amorphous structure.

また、図1では結晶性を有する領域21および結晶性を有する領域22の大きさは、3
nm乃至7nm程度であるが、本実施の形態に示す酸化物半導体膜中に形成される結晶性
を有する領域の大きさは、1nm以上1000nm以下程度とすることができる。例えば
、図31に示すように、酸化物半導体膜の結晶性を有する領域を数十nm以上とすること
もできる。
In FIG. 1, the size of the crystalline region 21 and the crystalline region 22 is 3
Although the thickness is approximately 7 nm to 7 nm, the size of the crystalline region formed in the oxide semiconductor film described in this embodiment can be approximately 1 nm to 1000 nm. For example, as illustrated in FIG. 31, the region having the crystallinity of the oxide semiconductor film can be several tens of nm or more.

また、当該結晶性を有する領域を膜表面に垂直な方向から観察すると、六角形の格子状
に原子が配列される構造となることが好ましい。このような構造を取ることで、当該結晶
性を有する領域は、三回対称性を有する六方晶構造を容易に取ることができる。なお、本
明細書においては、六方晶の結晶構造は六晶系(Crystal family)におけ
るものを指し、七晶系(Crystal system)の三方晶と六方晶を含む。
Further, when the crystalline region is observed from a direction perpendicular to the film surface, it is preferable to have a structure in which atoms are arranged in a hexagonal lattice shape. By adopting such a structure, the region having the crystallinity can easily have a hexagonal crystal structure having threefold symmetry. Note that in this specification, the hexagonal crystal structure refers to a hexagonal crystal structure, and includes a crystal system trigonal crystal and a hexagonal crystal.

また、本実施の形態に係る酸化物半導体膜は、結晶性を有する領域を複数含んでいても
良く、個々の結晶性を有する領域において、結晶のa軸あるいはb軸の方向は互いに異な
っていてもよい。すなわち、本実施の形態に係る酸化物半導体膜は、個々の結晶性を有す
る領域において、c軸に対して結晶化しているが、a−b面に対しては必ずしも配列して
いない。ただし、a軸あるいはb軸の方向が異なる領域どうしが接しないようにすること
で、互いの領域が接する界面に結晶粒界を形成しないようにすることが好ましい。よって
、結晶性を有する領域を三次元的に囲むように非晶質構造の領域を有する酸化物半導体膜
とすることが好ましい。つまり、当該結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は非単結
晶であり、且つ膜全体が非晶質状態とはならない。
Further, the oxide semiconductor film according to this embodiment may include a plurality of regions having crystallinity, and the directions of the a-axis or b-axis of the crystal are different from each other in each region having crystallinity. Also good. That is, the oxide semiconductor film according to this embodiment is crystallized with respect to the c-axis in regions having individual crystallinity, but is not necessarily arranged with respect to the ab plane. However, it is preferable not to form a grain boundary at the interface where the regions contact each other by preventing the regions having different directions of the a-axis or b-axis from contacting each other. Therefore, it is preferable to form an oxide semiconductor film having an amorphous structure so as to three-dimensionally surround the crystalline region. That is, the oxide semiconductor film including the crystalline region is non-single crystal and the entire film is not in an amorphous state.

当該酸化物半導体膜には、四元系金属酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn−O系金属
酸化物や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系金属酸化物、In−Sn−Z
n−O系金属酸化物、In−Al−Zn−O系金属酸化物、Sn−Ga−Zn−O系金属
酸化物、Al−Ga−Zn−O系金属酸化物、Sn−Al−Zn−O系金属酸化物や、二
元系金属酸化物であるIn−Zn−O系金属酸化物、Sn−Zn−O系金属酸化物などが
用いられる。
The oxide semiconductor film includes an In—Sn—Ga—Zn—O-based metal oxide that is a quaternary metal oxide or an In—Ga—Zn—O-based metal oxide that is a ternary metal oxide. In-Sn-Z
n-O-based metal oxide, In-Al-Zn-O-based metal oxide, Sn-Ga-Zn-O-based metal oxide, Al-Ga-Zn-O-based metal oxide, Sn-Al-Zn- O-based metal oxides, binary metal oxides such as In—Zn—O-based metal oxides, and Sn—Zn—O-based metal oxides are used.

中でも、In−Ga−Zn−O系金属酸化物は、エネルギーギャップが2eV以上、好
ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上とエネルギーギャップの広いものが
多く、それらを用いてトランジスタを作製した場合、オフ状態での抵抗が十分に高くオフ
電流を十分に小さくすることが可能である。In−Ga−Zn−O系金属酸化物中の結晶
性を有する領域は、主に六方晶のウルツ鉱型ではない結晶構造を取ることが多く、例えば
、YbFe型構造、YbFe型構造及びその変形型構造などをとりうる(
M. Nakamura, N. Kimizuka, and T. Mohri
、「The Phase Relations in the In2O3−Ga2Zn
O4−ZnO System at 1350℃」、J. Solid State C
hem.、1991、Vol.93, p.298−315)。なお、YbFe
構造は、Ybを含む層をA層としFeを含む層をB層とすると、ABB|ABB|ABB
|の繰り返し構造を有し、その変形構造としては、例えば、ABBB|ABBB|の繰り
返し構造を挙げることができる。また、YbFe型構造は、ABB|AB|AB
B|AB|の繰り返し構造を有し、その変形構造としては、例えば、ABBB|ABB|
ABBB|ABB|ABBB|ABB|の繰り返し構造を挙げることができる。また、当
該金属酸化物中のZnOの量が多い場合には、ウルツ鉱型結晶構造をとることもある。
Among them, many In—Ga—Zn—O-based metal oxides have a wide energy gap with an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more, and a transistor was manufactured using them. In this case, the resistance in the off state is sufficiently high, and the off current can be sufficiently reduced. A region having crystallinity in an In—Ga—Zn—O-based metal oxide often has a crystal structure that is not mainly a hexagonal wurtzite type. For example, a YbFe 2 O 4 type structure, a Yb 2 Fe structure, 3 O 7 type structure and its deformation type structure can be taken (
M.M. Nakamura, N .; Kimizuka, and T.K. Mohri
"The Phase Relations in the In2O3-Ga2Zn
O4-ZnO System at 1350 ° C. ”, J. Org. Solid State C
hem. 1991, Vol. 93, p. 298-315). In the YbFe 2 O 4 type structure, if a layer containing Yb is an A layer and a layer containing Fe is a B layer, ABB | ABB | ABB
Examples of the deformation structure include a repeating structure of ABBB | ABBB |. The Yb 2 Fe 3 O 7 type structure is ABB | AB | AB
B | AB | has a repetitive structure, and for example, ABBB | ABB |
A repeating structure of ABBB | ABB | ABBB | ABB | Further, when the amount of ZnO in the metal oxide is large, a wurtzite crystal structure may be taken.

In−Ga−Zn−O系金属酸化物の代表例としては、InGaO(ZnO)(m
>0)で表記されるものがある。ここで、In−Ga−Zn−O系金属酸化物として、例
えば、In:Ga:ZnO=1:1:1[mol数比]の組成比を有する金
属酸化物、In:Ga:ZnO=1:1:2[mol数比]の組成比を有す
る金属酸化物、In:Ga:ZnO=1:1:4[mol数比]の組成比を
有する金属酸化物を挙げることができる。ここで、mは非自然数とするとより好ましい。
なお、上述の組成は結晶構造から導き出されるものであり、あくまでも一例に過ぎないこ
とを付記する。例えば、In−Ga−Zn−O系金属酸化物として、In:Ga
:ZnO=2:1:8[mol数比]の組成比を有する金属酸化物、In:G
:ZnO=3:1:4[mol数比]の組成比を有する金属酸化物、またはIn
:Ga:ZnO=2:1:6[mol数比]の組成比を有する金属酸化物を
用いてもよい。
As a typical example of the In—Ga—Zn—O-based metal oxide, InGaO 3 (ZnO) m (m
> 0). Here, as the In—Ga—Zn—O-based metal oxide, for example, a metal oxide having a composition ratio of In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 1 [molar ratio], In Metal oxide having a composition ratio of 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio], In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 4 [molar number] Metal oxide having a composition ratio of [Ratio]. Here, m is more preferably a non-natural number.
It should be noted that the above composition is derived from the crystal structure and is merely an example. For example, as an In—Ga—Zn—O-based metal oxide, In 2 O 3 : Ga 2
Metal oxide having a composition ratio of O 3 : ZnO = 2: 1: 8 [molar ratio], In 2 O 3 : G
a metal oxide having a composition ratio of a 2 O 3 : ZnO = 3: 1: 4 [molar ratio], or In
A metal oxide having a composition ratio of 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 2: 1: 6 [molar ratio] may be used.

以上のような構造を持つ、酸化物半導体膜に含まれる結晶性を有する領域の構造の一例
として、InGaZnOの結晶構造を図2に示す。図2に示すInGaZnO
の結晶構造は、a軸とb軸に平行な平面図と、c軸に平行な断面図を用いて示されてお
り、c軸はa軸とb軸に対して垂直であり、a軸とb軸の間の角度は120°となる。図
2に示すInGaZnOは、平面図にIn原子が取りうるサイト11を示し、断面
図にIn原子12、Ga原子13、GaまたはZn原子14、O原子15を示す。
As an example of the structure of the crystalline region included in the oxide semiconductor film having the above structure, a crystal structure of In 2 Ga 2 ZnO 7 is illustrated in FIG. In 2 Ga 2 ZnO shown in FIG.
7 is shown using a plan view parallel to the a-axis and the b-axis and a cross-sectional view parallel to the c-axis. The c-axis is perpendicular to the a-axis and the b-axis. And the angle between the b axis is 120 °. In 2 Ga 2 ZnO 7 shown in FIG. 2 shows a site 11 that an In atom can take in a plan view, and an In atom 12, a Ga atom 13, a Ga or Zn atom 14, and an O atom 15 in a cross-sectional view.

図2の断面図に示すように、InGaZnOは、In酸化物層の間にある1層の
Ga酸化物層と、In酸化物層の間にある2層の酸化物層でGa酸化物層とZn酸化物層
をそれぞれ1層ずつ含むものが、c軸方向に交互に積層する構造となっている。また、図
2の平面図に示すように、InGaZnOは三回対称性を有する六方晶構造をとる
As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, In 2 Ga 2 ZnO 7 is composed of one Ga oxide layer between In oxide layers and two oxide layers between In oxide layers. A structure including one Ga oxide layer and one Zn oxide layer is stacked alternately in the c-axis direction. In addition, as shown in the plan view of FIG. 2, In 2 Ga 2 ZnO 7 has a hexagonal crystal structure having threefold symmetry.

本実施の形態に示す、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、一定以上の結晶性
を示すものであることが好ましい。また、当該結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜
は、単結晶とは異なる。このように、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、全体
が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠陥に代表さ
れるような欠陥や、ダングリングボンドなどに結合する水素などの不純物が低減されてい
る。特に結晶中の金属原子と結合している酸素は、非晶質中の金属原子と結合している酸
素と比較して、結合力が高くなり、水素などの不純物との反応性が低くなるので、欠陥の
生成が低減される。
The oxide semiconductor film including a region having crystallinity described in this embodiment preferably has a crystallinity of a certain level or more. An oxide semiconductor film including the crystalline region is different from a single crystal. In this manner, an oxide semiconductor film including a region having crystallinity has better crystallinity than an oxide semiconductor film with an amorphous structure as a whole. Impurities such as hydrogen bonded to dangling bonds and the like are reduced. In particular, oxygen bonded to a metal atom in a crystal has a higher bonding force and lower reactivity with impurities such as hydrogen than oxygen bonded to a metal atom in an amorphous state. , Defect generation is reduced.

例えば、In−Ga−Zn−O系金属酸化物からなる、結晶性を有する領域を含む酸化
物半導体膜は、c軸方向から電子線を照射した電子線回折強度測定において、散乱ベクト
ルの大きさが3.3nm−1以上4.1nm−1以下のピークにおける半値全幅と、散乱
ベクトルの大きさが5.5nm−1以上7.1nm−1以下のピークにおける半値全幅が
0.2nm−1以上となるような結晶性を示す。また好ましくは、散乱ベクトルの大きさ
が3.3nm−1以上4.1nm−1以下のピークにおける半値全幅が0.4nm−1
上0.7nm−1以下であり、散乱ベクトルの大きさが5.5nm−1以上7.1nm
以下のピークにおける半値全幅が0.45nm−1以上1.4nm−1以下となるよう
な結晶性を示す。
For example, an oxide semiconductor film including a crystalline region made of an In—Ga—Zn—O-based metal oxide has a scattering vector size in electron beam diffraction intensity measurement in which an electron beam is irradiated from the c-axis direction. There the full width at half maximum of 3.3 nm -1 or 4.1 nm -1 or less of the peak, the magnitude of the scattering vector 5.5 nm -1 or 7.1 nm -1 or less of full width at half maximum 0.2 nm -1 or more at peak The crystallinity is as follows. Also preferably, the magnitude of the scattering vector is full width at half maximum of 3.3 nm -1 or 4.1 nm -1 or less of the peak or less 0.4 nm -1 or 0.7 nm -1, the magnitude of the scattering vector 5 .5 nm −1 or more and 7.1 nm
The crystallinity is such that the full width at half maximum at a peak of 1 or less is 0.45 nm −1 or more and 1.4 nm −1 or less.

上述のように、本実施の形態に示す、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、酸
素欠陥に代表される膜中の欠陥が低減されていることが好ましい。酸素欠陥に代表される
ような欠陥は、酸化物半導体膜中でキャリアの供給源のように機能するため、当該酸化物
半導体膜の電気伝導度が変動する原因となりうる。よって、これらが低減されている、結
晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光
などの照射に対してもより電気的に安定な構造を有する。
As described above, it is preferable that the oxide semiconductor film including a region having crystallinity described in this embodiment has reduced defects in the film typified by oxygen defects. A defect typified by an oxygen defect functions as a carrier supply source in the oxide semiconductor film, and thus can cause a change in electrical conductivity of the oxide semiconductor film. Therefore, an oxide semiconductor film including a crystalline region in which these are reduced has a stable electric conductivity and a structure that is more electrically stable to irradiation with visible light, ultraviolet light, or the like. Have

なお、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜のESR(Electron Spi
n Resonance)測定を行うことにより、当該膜中の孤立電子の量を測定するこ
とができ、それにより酸素欠陥の量を推定することができる。例えば、In−Ga−Zn
−O系金属酸化物からなる結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、ESR測定にお
けるg=1.93近傍のピークのスピン密度が1.3×1018(spins/cm
より小さく、好ましくは5×1017(spins/cm)以下、より好ましくは5×
1016(spins/cm)、さらに好ましくは1×1016(spins/cm
)とする。
Note that an ESR (Electron Spi) of an oxide semiconductor film including a crystalline region is used.
n Resonance) measurement makes it possible to measure the amount of lone electrons in the film and thereby estimate the amount of oxygen defects. For example, In-Ga-Zn
An oxide semiconductor film including a crystalline region including a —O-based metal oxide has a peak spin density of about 1.3 × 10 18 (spins / cm 3 ) in the vicinity of g = 1.93 in ESR measurement.
Smaller, preferably 5 × 10 17 (spins / cm 3 ) or less, more preferably 5 ×
10 16 (spins / cm 3 ), more preferably 1 × 10 16 (spins / cm 3)
).

上述のように、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜中の水素や、水、水酸基また
は水素化物等の水素を含む不純物は低減されていることが好ましく、結晶性を有する領域
を含む酸化物半導体膜中の水素の濃度は1×1019atoms/cm以下とすること
が好ましい。ダングリングボンドなどに結合する水素や、水、水酸基または水素化物等の
水素を含む不純物は、酸化物半導体膜中でキャリアの供給源のように機能するため、当該
酸化物半導体膜の電気伝導度が変動する原因となりうる。また、酸化物半導体膜に含まれ
る水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水となると共に、酸素が脱離した格子(あ
るいは酸素が脱離した部分)には欠陥が形成されてしまう。よって、これらが低減されて
いる、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、可視光
や紫外光などの照射に対してもより電気的に安定な構造を有する。
As described above, impurities in the oxide semiconductor film including a crystalline region and impurities including hydrogen such as water, a hydroxyl group, or a hydride are preferably reduced, and the oxide including the crystalline region is oxidized. The hydrogen concentration in the physical semiconductor film is preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less. Impurities containing hydrogen such as dangling bonds and hydrogen, such as water, a hydroxyl group, or hydride function as a carrier supply source in the oxide semiconductor film; thus, the electric conductivity of the oxide semiconductor film May cause fluctuations. In addition, hydrogen contained in the oxide semiconductor film reacts with oxygen bonded to metal atoms to become water, and defects are formed in a lattice from which oxygen is released (or a portion from which oxygen is released). . Therefore, an oxide semiconductor film including a crystalline region in which these are reduced has a stable electric conductivity and a structure that is more electrically stable to irradiation with visible light, ultraviolet light, or the like. Have

また、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜中のアルカリ金属等の不純物は低減さ
れていることが好ましい。例えば、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜において、
リチウムの濃度が5×1015cm−3以下、好ましくは1×1015cm−3以下、ナ
トリウムの濃度が5×1016cm−3以下、好ましくは1×1016cm−3以下、さ
らに好ましくは1×1015cm−3以下、カリウムの濃度が5×1015cm−3以下
、好ましくは1×1015cm−3以下とする。
In addition, impurities such as alkali metal in the oxide semiconductor film including the crystalline region are preferably reduced. For example, in an oxide semiconductor film including a region having crystallinity,
The concentration of lithium is 5 × 10 15 cm −3 or less, preferably 1 × 10 15 cm −3 or less, and the concentration of sodium is 5 × 10 16 cm −3 or less, preferably 1 × 10 16 cm −3 or less, more preferably Is 1 × 10 15 cm −3 or less, and the concentration of potassium is 5 × 10 15 cm −3 or less, preferably 1 × 10 15 cm −3 or less.

アルカリ金属、及びアルカリ土類金属は結晶性を有する領域を含む酸化物半導体にとっ
ては悪性の不純物であり、少ないほうがよい。特に、当該酸化物半導体膜をトランジスタ
に用いる場合、アルカリ金属のうちナトリウムは結晶性を有する領域を含む酸化物半導体
膜に接する絶縁膜に拡散し、キャリアを供給しうる。また、結晶性を有する領域を含む酸
化物半導体膜内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その
結果、トランジスタ特性の劣化(例えば、ノーマリオン化(しきい値の負へのシフト)、
移動度の低下等)をもたらす。加えて、特性のばらつきの原因ともなる。
Alkali metal and alkaline earth metal are malignant impurities for an oxide semiconductor including a region having crystallinity, and it is preferable that the amount be smaller. In particular, when the oxide semiconductor film is used for a transistor, sodium in an alkali metal can be diffused into an insulating film in contact with the oxide semiconductor film including a crystalline region and can supply carriers. In addition, in the oxide semiconductor film including a region having crystallinity, the bond between metal and oxygen is broken or interrupted. As a result, deterioration of transistor characteristics (for example, normalization (shift of threshold to negative),
Decrease in mobility, etc.). In addition, it causes variation in characteristics.

このような問題は、特に結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜中の水素の濃度が十
分に低い場合において顕著となる。したがって、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体
膜中の水素の濃度が5×1019cm−3以下、特に5×1018cm−3以下である場
合には、アルカリ金属の濃度を上記の値にすることが強く求められる。よって、結晶性を
有する領域を含む酸化物半導体膜中の不純物を極めて低減し、アルカリ金属の濃度が5×
1016atoms/cm以下、水素の濃度が5×1019atoms/cm以下と
することが好ましい。
Such a problem becomes significant particularly when the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor film including the crystalline region is sufficiently low. Therefore, when the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor film including a region having crystallinity is 5 × 10 19 cm −3 or less, particularly 5 × 10 18 cm −3 or less, the alkali metal concentration is There is a strong demand for value. Therefore, impurities in the oxide semiconductor film including a crystalline region are extremely reduced, and the alkali metal concentration is 5 ×.
It is preferable that 10 16 atoms / cm 3 or less and the hydrogen concentration be 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less.

以上のように、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、全体が非晶質構造の酸化
物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠陥に代表されるような欠陥や、
ダングリングボンドなどに結合する水素などの不純物が低減されている。これらの酸素欠
陥に代表されるような欠陥や、ダングリングボンドなどに結合する水素などは、酸化物半
導体膜中でキャリアの供給源のように機能するため、当該酸化物半導体膜の電気伝導度が
変動する原因となりうる。よって、これらが低減されている、結晶性を有する領域を含む
酸化物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光などの照射に対してもよ
り電気的に安定な構造を有する。このような結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜を
トランジスタに用いることによって、安定した電気的特性を有する、信頼性の高い半導体
装置を提供することができる。
As described above, an oxide semiconductor film including a region having crystallinity has better crystallinity than an oxide semiconductor film with an amorphous structure as a whole. Or
Impurities such as hydrogen bonded to dangling bonds are reduced. Defects typified by these oxygen defects, hydrogen bonded to dangling bonds, and the like function as a carrier supply source in the oxide semiconductor film; thus, the electric conductivity of the oxide semiconductor film May cause fluctuations. Therefore, an oxide semiconductor film including a crystalline region in which these are reduced has a stable electric conductivity and a structure that is more electrically stable to irradiation with visible light, ultraviolet light, or the like. Have By using an oxide semiconductor film including such a region having crystallinity for a transistor, a highly reliable semiconductor device having stable electrical characteristics can be provided.

次に、酸化物半導体膜中の酸素欠陥がどのようにして当該酸化物半導体膜の電気伝導度
に影響を与えるか、密度汎関数理論に基づいた第一原理計算を用いて考察した結果につい
て説明する。なお、以下の第一原理計算には、accelrys社製の第一原理計算ソフ
ト「CASTEP」を用いた。また、汎関数はGGA−PBEを、擬ポテンシャルはウル
トラソフト型を用いた。
Next, how oxygen defects in the oxide semiconductor film affect the electrical conductivity of the oxide semiconductor film is explained using the results of first-principles calculations based on density functional theory To do. In the following first principle calculation, first principle calculation software “CASTEP” manufactured by Accelrys was used. The functional used was GGA-PBE, and the pseudopotential used the ultra soft type.

本計算では、酸化物半導体膜のモデルとして、アモルファス状のInGaZnOにお
いて酸素原子を一つ脱離させて当該部位に空孔(酸素欠陥)を残存させたモデルを作成し
て計算を行った。当該モデルの原子数は、Inを12個、Gaを12個、Znを12個、
Oを47個とした。このような構造のInGaZnOに対して原子配置に関する構造最
適化を行い、電子状態密度を算出した。このとき、カットオフエネルギーは300eVと
した。
In this calculation, as a model of the oxide semiconductor film, a model was created in which one oxygen atom was desorbed in amorphous InGaZnO 4 and vacancies (oxygen defects) remained in the portion. The number of atoms in the model is 12 for In, 12 for Ga, 12 for Zn,
There were 47 Os. For InGaZnO 4 having such a structure, the structure optimization regarding the atomic arrangement was performed, and the electronic state density was calculated. At this time, the cut-off energy was 300 eV.

電子状態密度計算の結果を図3に示す。図3は、縦軸に状態密度(DOS:Densi
ty of State)[states/eV]をとり、横軸にエネルギー[eV]を
とっており、横軸に示すエネルギーの原点は、フェルミエネルギーを示している。図3に
示すように、InGaZnOの価電子帯上端は−0.74eV、伝導帯下端は0.56
eVとなっている。バンドギャップの値はInGaZnOの実験値3.15eVと比較
すると非常に小さいが、密度汎関数理論に基づいた第一原理計算ではバンドギャップが実
験値よりも小さくなる事は良く知られており、今回の計算が不適切である事を示している
わけではない。
The result of electronic density of state calculation is shown in FIG. FIG. 3 shows the density of states (DOS: Densi) on the vertical axis.
ty of State) [states / eV], the horizontal axis indicates energy [eV], and the origin of energy indicated on the horizontal axis indicates Fermi energy. As shown in FIG. 3, InGaZnO 4 has a valence band upper end of −0.74 eV and a conduction band lower end of 0.56.
eV. The value of the band gap is very small compared to the experimental value of 3.15 eV for InGaZnO 4 , but it is well known that the band gap is smaller than the experimental value in the first-principles calculation based on density functional theory, It does not indicate that this calculation is inappropriate.

図3から、酸素欠陥を有するアモルファス状のInGaZnOは、バンドギャップ内
に深い準位を有することが分かる。つまり、酸素欠陥を有するアモルファス状の酸化物半
導体のバンド構造では、酸素欠陥に起因するトラップ準位が当該バンドギャップ内の深い
準位として表されることが推測される。
From FIG. 3, it can be seen that amorphous InGaZnO 4 having oxygen defects has a deep level in the band gap. That is, in the band structure of an amorphous oxide semiconductor having oxygen defects, it is presumed that trap levels caused by oxygen defects are expressed as deep levels in the band gap.

以上の考察に基づく、酸素欠陥を有するアモルファス状の酸化物半導体のバンドダイア
グラムを図4に示す。図4は、縦軸にエネルギー、横軸にDOSをとり、価電子帯(VB
:Valence Band)の上端のエネルギー準位Evから伝導帯(CB:Cond
uction Band)の下端のエネルギー準位Ecまでのエネルギーギャップは、実
験値に基づき3.15eVとした。
FIG. 4 shows a band diagram of an amorphous oxide semiconductor having oxygen defects based on the above consideration. In FIG. 4, energy is plotted on the vertical axis, DOS is plotted on the horizontal axis, and the valence band (VB
: Conduction band (CB: Cond) from the energy level Ev at the top of Valence Band
The energy gap up to the energy level Ec at the lower end of the action band was 3.15 eV based on experimental values.

図4に示すバンドダイアグラム中には、当該酸化物半導体のアモルファス性に起因する
テールステートを伝導帯下端近傍に表している。さらに、伝導帯下端より約0.1eVの
浅いエネルギー準位に、当該アモルファス状の酸化物半導体内のダングリングボンドなど
に結合する水素に起因する水素ドナー準位を想定している。そして、伝導帯下端より約1
.8eVの深いエネルギー準位に、上述した当該アモルファス状の酸化物半導体内の酸素
欠陥に起因するトラップ準位を表している。なお、酸素欠陥に起因するトラップ準位のエ
ネルギー準位の値については、後述する実施例において詳細を説明する。
In the band diagram shown in FIG. 4, the tail state resulting from the amorphous nature of the oxide semiconductor is shown near the lower end of the conduction band. Further, a hydrogen donor level caused by hydrogen bonded to a dangling bond or the like in the amorphous oxide semiconductor is assumed at a shallow energy level of about 0.1 eV from the lower end of the conduction band. And about 1 from the bottom of the conduction band
. The deep energy level of 8 eV represents the trap level caused by the oxygen defect in the amorphous oxide semiconductor described above. Note that the value of the energy level of the trap level resulting from oxygen defects will be described in detail in the examples described later.

さらに以上の考察に基づく、バンドギャップ中にこのようなエネルギー準位、特に酸素
欠陥に起因する深いトラップ準位を有するアモルファス状の酸化物半導体の場合における
、バンド構造の電子と正孔の再結合モデルを図5(A)および図5(B)に示す。
Based on the above considerations, recombination of electrons and holes in the band structure in the case of an amorphous oxide semiconductor having such energy levels in the band gap, especially deep trap levels due to oxygen defects The model is shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B).

図5(A)に示す再結合モデルは、価電子帯に十分な数の正孔が存在し、且つ伝導帯に
十分な数の電子が存在する場合の再結合モデルである。当該アモルファス状の酸化物半導
体膜を光照射環境下に曝して、十分な数の電子正孔対が生成されることにより、当該酸化
物半導体のバンド構造は図5(A)に示すような再結合モデルで表される。当該再結合モ
デルにおいて、正孔は価電子帯の上端だけでなく、酸素欠陥に起因する深いトラップ準位
にも生成される。
The recombination model shown in FIG. 5A is a recombination model when a sufficient number of holes exist in the valence band and a sufficient number of electrons exist in the conduction band. By exposing the amorphous oxide semiconductor film to a light irradiation environment and generating a sufficient number of electron-hole pairs, the band structure of the oxide semiconductor is regenerated as shown in FIG. Represented by a combined model. In the recombination model, holes are generated not only at the upper end of the valence band, but also at deep trap levels due to oxygen defects.

図5(A)に示す再結合モデルでは、2種類の再結合過程が並列に起こることを想定し
ている。一つの再結合過程は、伝導帯の電子が価電子帯の正孔と直接再結合するバンド間
再結合と呼ばれる再結合過程である。そしてもう一つの再結合過程は、伝導帯の電子が酸
素欠陥に起因するトラップ準位の正孔と再結合する再結合過程である。ここで、バンド間
再結合は酸素欠陥に起因するトラップ準位における再結合より頻度が高いので、価電子帯
の正孔の数が十分に少なくなることで、先にバンド間再結合が終了する。これにより図5
(A)に示す再結合モデルは、伝導帯下端の電子が酸素欠陥に起因するトラップ準位の正
孔と再結合する再結合過程だけとなって図5(B)に示す再結合モデルに移行する。
In the recombination model shown in FIG. 5A, it is assumed that two types of recombination processes occur in parallel. One recombination process is a recombination process called interband recombination in which conduction band electrons directly recombine with valence band holes. The other recombination process is a recombination process in which electrons in the conduction band recombine with trap-level holes caused by oxygen defects. Here, interband recombination is more frequent than the recombination at the trap level due to oxygen defects, so that the interband recombination is terminated first by sufficiently reducing the number of holes in the valence band. . As a result, FIG.
In the recombination model shown in FIG. 5A, only the recombination process in which electrons at the lower end of the conduction band recombine with holes at the trap level caused by oxygen defects is transferred to the recombination model shown in FIG. To do.

なお、価電子帯に十分な数の正孔が存在し、且つ伝導帯に十分な数の電子が存在するよ
うにするには、当該酸化物半導体に十分な光照射を行えばよく、その後光照射を止めるこ
とにより、図5(A)に示す再結合モデルのように、電子と正孔の再結合が行われる。こ
の時の当該酸化物半導体中を流れる電流(光電流とも呼ばれる。)が減衰するのに要する
時間(緩和時間)は、図5(B)に示す再結合モデルにおける光電流の緩和時間と比較す
ると短くなる。なお、これらの詳細については、後述する実施例を参照されたい。
Note that in order to have a sufficient number of holes in the valence band and a sufficient number of electrons in the conduction band, the oxide semiconductor may be irradiated with sufficient light, and then light By stopping the irradiation, electrons and holes are recombined as in the recombination model shown in FIG. The time (relaxation time) required for the current flowing through the oxide semiconductor (also referred to as photocurrent) to decay at this time is compared with the photocurrent relaxation time in the recombination model shown in FIG. Shorter. For these details, refer to the examples described later.

次に、図5(B)に示す再結合モデルは、図5(A)に示す再結合モデルが進行し、価
電子帯の正孔の数が十分に低減された後の再結合モデルである。図5(B)に示す再結合
モデルでは、再結合過程がほとんど酸素欠陥に起因するトラップ準位における再結合だけ
になってしまうので、図5(A)に示す再結合モデルと比較して伝導帯の電子の数は緩や
かに減少する。もちろん当該再結合過程の間、伝導帯に存在する電子は酸化物半導体膜中
の電気伝導に寄与する。これにより、バンド間再結合が主な再結合過程である、図5(A
)に示す再結合モデルと比較して、図5(B)に示す再結合モデルは光電流の緩和時間が
長くなる。なお、これらの詳細については、後述する実施例を参照されたい。
Next, the recombination model illustrated in FIG. 5B is a recombination model after the recombination model illustrated in FIG. 5A proceeds and the number of holes in the valence band is sufficiently reduced. . In the recombination model shown in FIG. 5 (B), the recombination process is almost only at the trap level due to oxygen defects, so that it is more conductive than the recombination model shown in FIG. 5 (A). The number of electrons in the band gradually decreases. Of course, during the recombination process, electrons existing in the conduction band contribute to electrical conduction in the oxide semiconductor film. Thus, interband recombination is the main recombination process, FIG.
The recombination model shown in FIG. 5B has a longer photocurrent relaxation time than the recombination model shown in FIG. For these details, refer to the examples described later.

このように、酸素欠陥に起因する深いトラップ準位を有するアモルファス状の酸化物半
導体は、バンド構造における電子正孔対の再結合モデルを2種類有し、光電流の緩和時間
も2種類に分けることができる。ここで、特に図5(B)に示す再結合モデルにおける光
電流の緩和の遅延は、当該酸化物半導体膜をトランジスタなどに用いて光照射下でゲート
電極に負バイアスをかける際に、当該酸化物半導体膜やその界面に固定電荷を形成する原
因となりうる。このようにして、酸化物半導体膜中の酸素欠陥は当該酸化物半導体膜の電
気伝導度に悪影響を与えることが考察される。
As described above, an amorphous oxide semiconductor having a deep trap level caused by oxygen defects has two types of electron-hole pair recombination models in a band structure, and the photocurrent relaxation time is also divided into two types. be able to. Here, in particular, in the recombination model shown in FIG. 5B, the photocurrent relaxation delay occurs when the gate electrode is negatively biased under light irradiation using the oxide semiconductor film for a transistor or the like. This may cause a fixed charge to be formed on the physical semiconductor film or its interface. In this manner, it is considered that oxygen defects in the oxide semiconductor film adversely affect the electrical conductivity of the oxide semiconductor film.

しかし、本発明の一態様に係る、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、全体が
非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠陥に代表され
るような欠陥が低減されている。よって、本発明の一態様に係る、結晶性を有する領域を
含む酸化物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光などの照射に対して
もより電気的に安定な構造を有する。このような結晶性を有する領域を含む酸化物半導体
膜をトランジスタに用いることによって、安定した電気的特性を有する、信頼性の高い半
導体装置を提供することができる。
However, the oxide semiconductor film including a crystalline region according to one embodiment of the present invention has favorable crystallinity as compared with an oxide semiconductor film having an amorphous structure, and thus is typically represented by an oxygen defect. Such defects are reduced. Therefore, the oxide semiconductor film including a crystalline region according to one embodiment of the present invention has stable electrical conductivity and is more electrically stable to irradiation with visible light, ultraviolet light, or the like. It has a structure. By using an oxide semiconductor film including such a region having crystallinity for a transistor, a highly reliable semiconductor device having stable electrical characteristics can be provided.

以上、本実施の形態に示す構成などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組
み合わせて用いることができる。
As described above, the structure and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures and methods described in the other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1に示す、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜を
用いたトランジスタおよび当該トランジスタの作製方法について図6乃至図10を用いて
説明する。図6は、半導体装置の構成の一形態である、トップゲート構造のトランジスタ
120の作製工程を示す断面図である。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a transistor including an oxide semiconductor film including a region having crystallinity described in Embodiment 1 and a method for manufacturing the transistor will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the top-gate transistor 120, which is one embodiment of the structure of the semiconductor device.

まず、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜を成膜する前に、図6(A)に示すよ
うに、基板51上に下地絶縁膜53を形成することが好ましい。
First, before the oxide semiconductor film including a region having crystallinity is formed, a base insulating film 53 is preferably formed over the substrate 51 as illustrated in FIG.

基板51は、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必
要となる。基板51としてガラス基板を用いる場合、歪み点が730℃以上のものを用い
ることが好ましい。ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウ
ケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられる。なお、B
よりBaOを多く含むガラス基板を用いることが好ましい。基板51がマザーガラスの
場合、基板の大きさは、第1世代(320mm×400mm)、第2世代(400mm×
500mm)、第3世代(550mm×650mm)、第4世代(680mm×880m
m、または730mm×920mm)、第5世代(1000mm×1200mmまたは1
100mm×1250mm)、第6世代(1500mm×1800mm)、第7世代(1
900mm×2200mm)、第8世代(2160mm×2460mm)、第9世代(2
400mm×2800mm、または2450mm×3050mm)、第10世代(295
0mm×3400mm)等を用いることができる。マザーガラスは、処理温度が高く、処
理時間が長いと大幅に収縮するため、マザーガラスを使用して大量生産を行う場合、作製
工程の加熱処理は、600℃以下、好ましくは450℃以下とすることが望ましい。
The substrate 51 needs to have at least heat resistance that can withstand a subsequent heat treatment. When a glass substrate is used as the substrate 51, a substrate having a strain point of 730 ° C. or higher is preferably used. For the glass substrate, for example, a glass material such as aluminosilicate glass, aluminoborosilicate glass, or barium borosilicate glass is used. B 2 O
It is preferable to use a glass substrate containing more BaO than 3 . When the substrate 51 is mother glass, the size of the substrate is the first generation (320 mm × 400 mm), the second generation (400 mm × 400 mm).
500mm), 3rd generation (550mm x 650mm), 4th generation (680mm x 880m)
m, or 730 mm × 920 mm), 5th generation (1000 mm × 1200 mm or 1
100mm x 1250mm), 6th generation (1500mm x 1800mm), 7th generation (1
900mm x 2200mm), 8th generation (2160mm x 2460mm), 9th generation (2
400mm x 2800mm, or 2450mm x 3050mm), 10th generation (295)
0 mm × 3400 mm) or the like can be used. Since the mother glass has a high processing temperature and contracts significantly when the processing time is long, when mass production is performed using the mother glass, the heat treatment in the manufacturing process is 600 ° C. or lower, preferably 450 ° C. or lower. It is desirable.

なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの
絶縁体でなる基板を用いることができる。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができ
る。さらには、シリコンウェハ等の半導体基板の表面や金属材料よりなる導電性の基板の
表面に絶縁層を形成したものを用いることもできる。
Note that a substrate formed of an insulator such as a ceramic substrate, a quartz substrate, or a sapphire substrate can be used instead of the glass substrate. In addition, crystallized glass or the like can be used. Furthermore, a semiconductor substrate such as a silicon wafer or a conductive substrate made of a metal material with an insulating layer formed thereon may be used.

下地絶縁膜53は、加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜を用いて形成するこ
とが好ましい。加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜としては、化学量論比を満
たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。加熱により酸素
の一部が放出する酸化物絶縁膜を下地絶縁膜53に用いることで、後の工程で加熱処理を
行う際に酸化物半導体膜に酸素を拡散させることができる。加熱により酸素の一部が放出
する酸化物絶縁膜としては、代表的には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミ
ニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム等を
用いることができる。
The base insulating film 53 is preferably formed using an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating. As the oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating, an oxide insulating film containing more oxygen than oxygen that satisfies the stoichiometric ratio is preferably used. When the oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating is used for the base insulating film 53, oxygen can be diffused in the oxide semiconductor film when heat treatment is performed in a later step. As the oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating, silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, hafnium oxide, yttrium oxide, or the like can be typically used.

下地絶縁膜53は、50nm以上、好ましくは200nm以上500nm以下とする。
下地絶縁膜53を厚くすることで、下地絶縁膜53からの酸素放出量を増加させることが
できると共に、その増加によって下地絶縁膜53及び後に形成される酸化物半導体膜との
界面における欠陥を低減することが可能である。
The base insulating film 53 is 50 nm or more, preferably 200 nm or more and 500 nm or less.
By increasing the thickness of the base insulating film 53, the amount of oxygen released from the base insulating film 53 can be increased, and the increase can reduce defects at the interface between the base insulating film 53 and the oxide semiconductor film to be formed later. Is possible.

下地絶縁膜53は、スパッタリング法、CVD法等により形成する。なお、加熱により
酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜は、スパッタリング法を用いることで容易に形成する
ことができる。加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜をスパッタリング法により
形成する場合は、成膜ガス中の酸素量が高いことが好ましく、酸素、または酸素及び希ガ
スの混合ガス等を用いることができる。代表的には、成膜ガス中の酸素濃度を6%以上1
00%以下にすることが好ましい。
The base insulating film 53 is formed by a sputtering method, a CVD method, or the like. Note that an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating can be easily formed by a sputtering method. In the case where an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating is formed by a sputtering method, the amount of oxygen in the deposition gas is preferably high, and oxygen, a mixed gas of oxygen and a rare gas, or the like is used. it can. Typically, the oxygen concentration in the deposition gas is 6% or more 1
It is preferable to make it 00% or less.

また、下地絶縁膜53は、必ずしも加熱により酸素の一部が放出する酸化物絶縁膜を用
いて形成する必要はなく、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウムなどを用
いて窒化物絶縁膜を形成してもよい。また、下地絶縁膜53は、上記の酸化物絶縁膜と窒
化物絶縁膜の積層構造としてもよく、その場合には窒化物絶縁膜上に酸化物絶縁膜を設け
ることが好ましい。下地絶縁膜53として窒化物絶縁膜を用いることにより、アルカリ金
属などの不純物を含むガラス基板を用いる場合、アルカリ金属などの酸化物半導体膜への
侵入を防止できる。リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属は、酸化物半導体
に対して悪性の不純物であるために酸化物半導体膜中の含有量を少なくすることが好まし
い。窒化物絶縁膜は、CVD法、スパッタリング法等で形成することができる。
The base insulating film 53 is not necessarily formed using an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating, and a nitride insulating film is formed using silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, or the like. May be. The base insulating film 53 may have a stacked structure of the above oxide insulating film and nitride insulating film. In that case, it is preferable to provide an oxide insulating film over the nitride insulating film. By using a nitride insulating film as the base insulating film 53, when a glass substrate containing an impurity such as an alkali metal is used, entry of the alkali metal or the like into the oxide semiconductor film can be prevented. Since alkali metals such as lithium, sodium, and potassium are malignant impurities with respect to the oxide semiconductor, it is preferable to reduce the content in the oxide semiconductor film. The nitride insulating film can be formed by a CVD method, a sputtering method, or the like.

次に、図6(B)に示すように、スパッタリング装置を用いたスパッタリング法により
、下地絶縁膜53上に厚さ30nm以上50μm以下の結晶性を有する領域を含む酸化物
半導体膜55を成膜する。
Next, as illustrated in FIG. 6B, an oxide semiconductor film 55 including a crystalline region with a thickness of 30 nm to 50 μm is formed over the base insulating film 53 by a sputtering method using a sputtering apparatus. To do.

ここで、スパッタリング装置の処理室について、図7(A)を用いて説明する。処理室
31には、排気手段33及びガス供給手段35が接続される。また、処理室31内には、
基板支持体40及びターゲット41が設けられる。ターゲット41は、電源装置37に接
続される。
Here, the treatment chamber of the sputtering apparatus is described with reference to FIG. An exhaust means 33 and a gas supply means 35 are connected to the processing chamber 31. In the processing chamber 31,
A substrate support 40 and a target 41 are provided. The target 41 is connected to the power supply device 37.

処理室31は、GNDに接続されている。また、処理室31のリークレートを1×10
−10Pa・m/秒以下とすることで、スパッタリング法により成膜する膜への不純物
の混入を低減することができる。
The processing chamber 31 is connected to GND. Further, the leak rate of the processing chamber 31 is set to 1 × 10.
By setting it to −10 Pa · m 3 / sec or less, it is possible to reduce contamination of impurities into a film formed by a sputtering method.

リークレートを低くするには、外部リークのみならず内部リークを低減する必要がある
。外部リークとは、微小な穴やシール不良などによって真空系の外から気体が流入するこ
とである。内部リークとは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材から
の放出ガスに起因する。リークレートを1×10−10Pa・m/秒以下とするために
は、外部リーク及び内部リークの両面から対策をとる必要がある。
In order to reduce the leak rate, it is necessary to reduce not only external leakage but also internal leakage. The external leak is a gas flowing from outside the vacuum system due to a minute hole or a defective seal. The internal leak is caused by leakage from a partition such as a valve in the vacuum system or gas released from an internal member. In order to set the leak rate to 1 × 10 −10 Pa · m 3 / sec or less, it is necessary to take measures from both the external leak and the internal leak.

外部リークを減らすには、処理室の開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。
メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆され
た金属材料を用いると好ましい。メタルガスケットはOリングと比べ密着性が高く、外部
リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどの不動態によ
って被覆された金属材料を用いることで、メタルガスケットから生じる水素を含む放出ガ
スが抑制され、内部リークも低減することができる。
In order to reduce external leakage, the open / close portion of the processing chamber may be sealed with a metal gasket.
The metal gasket is preferably a metal material coated with iron fluoride, aluminum oxide, or chromium oxide. Metal gaskets have higher adhesion than O-rings and can reduce external leakage. In addition, by using a metal material coated with a passive material such as iron fluoride, aluminum oxide, or chromium oxide, an outgas including hydrogen generated from the metal gasket can be suppressed, and an internal leak can be reduced.

処理室31の内壁を構成する部材として、水素を含む放出ガスの少ないアルミニウム、
クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の材料
を鉄、クロム及びニッケルなどを含む合金材料に被覆して用いてもよい。鉄、クロム及び
ニッケルなどを含む合金材料は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで
、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガ
スを低減できる。あるいは、前述のスパッタリング装置の部材をフッ化鉄、酸化アルミニ
ウム、酸化クロムなどの不動態で被覆してもよい。
As a member constituting the inner wall of the processing chamber 31, aluminum with a small amount of released gas containing hydrogen,
Chromium, titanium, zirconium, nickel or vanadium is used. Alternatively, the above-described material may be used by coating an alloy material containing iron, chromium, nickel, and the like. An alloy material containing iron, chromium, nickel, and the like is rigid, resistant to heat, and suitable for processing. Here, if the surface irregularities of the member are reduced by polishing or the like in order to reduce the surface area, the emitted gas can be reduced. Or you may coat | cover the member of the above-mentioned sputtering apparatus by passives, such as iron fluoride, aluminum oxide, and chromium oxide.

処理室31の内部に設ける部材は、極力金属材料のみで構成することが好ましく、例え
ば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面を
フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどの不動態で薄く被覆するとよい。
The member provided inside the processing chamber 31 is preferably composed only of a metal material as much as possible. For example, when a viewing window composed of quartz or the like is installed, the surface is made of iron fluoride in order to suppress emitted gas, It is good to coat thinly with a passive state such as aluminum oxide or chromium oxide.

さらに、スパッタガスを処理室31に導入する直前に、スパッタガスの精製機を設ける
ことが好ましい。このとき、精製機から処理室までの配管の長さを5m以下、好ましくは
1m以下とする。配管の長さを5m以下または1m以下とすることで、配管からの放出ガ
スの影響を長さに応じて低減できる。
Furthermore, it is preferable to provide a sputtering gas purifier immediately before introducing the sputtering gas into the processing chamber 31. At this time, the length of the pipe from the refiner to the processing chamber is 5 m or less, preferably 1 m or less. By setting the length of the pipe to 5 m or less or 1 m or less, the influence of the gas released from the pipe can be reduced according to the length.

シリンダーから処理室31まで、スパッタガスを流すための配管にはフッ化鉄、酸化ア
ルミニウム、酸化クロムなどの不動態で内部が被覆された金属配管を用いることが好まし
い。前述の配管は、例えばSUS316L−EP配管と比べ、水素を含むガスの放出量が
少なく、成膜ガスへの不純物の混入を低減できる。また、配管の継手には、高性能超小型
メタルガスケット継手(UPG継手)を用いるとよい。また、配管の材料を全て金属材料
で構成することで、樹脂等を用いた場合と比べ、生じる放出ガス及び外部リークの影響を
低減できるため好ましい。
It is preferable to use a metal pipe whose inside is covered with a passive state such as iron fluoride, aluminum oxide, or chromium oxide as a pipe for flowing the sputtering gas from the cylinder to the processing chamber 31. The above-described piping has a smaller amount of hydrogen-containing gas released than, for example, SUS316L-EP piping, and can reduce the mixing of impurities into the deposition gas. Moreover, it is good to use a high performance ultra-small metal gasket joint (UPG joint) for the joint of piping. Further, it is preferable to make all the piping materials out of metal materials because the influence of the generated released gas and external leakage can be reduced as compared with the case of using a resin or the like.

処理室31の排気は、ドライポンプなどの粗引きポンプと、スパッタイオンポンプ、タ
ーボ分子ポンプ及びクライオポンプなどの高真空ポンプとを適宜組み合わせて行うとよい
。ターボ分子ポンプは大きいサイズの分子の排気が優れる一方、水素や水の排気能力が低
い。そこで、水の排気能力の高いクライオポンプ及び水素の排気能力の高いスパッタイオ
ンポンプを組み合わせることが有効となる。
The processing chamber 31 may be exhausted by appropriately combining a roughing pump such as a dry pump and a high vacuum pump such as a sputter ion pump, a turbo molecular pump, or a cryopump. Turbomolecular pumps excel large molecules, but have low hydrogen and water exhaust capabilities. Therefore, it is effective to combine a cryopump having a high water exhaust capability and a sputter ion pump having a high hydrogen exhaust capability.

処理室31の内側に存在する吸着物は、内壁に吸着しているために処理室の圧力に影響
しないが、処理室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気
速度に相関はないが、排気能力の高いポンプを用いて、処理室に存在する吸着物をできる
限り脱離し、予め排気しておくことが重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、処
理室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を10倍程度大き
くすることができる。ベーキングは100℃以上450℃以下で行えばよい。このとき、
不活性ガスを導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水など
の脱離速度をさらに大きくすることができる。
The adsorbate present inside the processing chamber 31 does not affect the pressure in the processing chamber because it is adsorbed on the inner wall, but causes gas emission when the processing chamber is exhausted. For this reason, there is no correlation between the leak rate and the exhaust speed, but it is important to desorb the adsorbate present in the processing chamber as much as possible and exhaust it in advance using a pump having a high exhaust capability. Note that the treatment chamber may be baked to promote desorption of the adsorbate. Baking can increase the desorption rate of the adsorbate by about 10 times. Baking may be performed at 100 ° C to 450 ° C. At this time,
If the adsorbate is removed while introducing an inert gas, the desorption rate of water or the like that is difficult to desorb only by exhausting can be further increased.

排気手段33は、処理室31内の不純物を排気すると共に、処理室31内の圧力を制御
することができる。排気手段33は、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例え
ば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ま
しい。上記吸着型の真空ポンプを用いることで、酸化物半導体膜に含まれる水素の量を低
減することができる。
The exhaust means 33 can exhaust impurities in the processing chamber 31 and control the pressure in the processing chamber 31. The exhaust means 33 is preferably an adsorption type vacuum pump. For example, it is preferable to use a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. By using the above adsorption-type vacuum pump, the amount of hydrogen contained in the oxide semiconductor film can be reduced.

なお、酸化物半導体膜に含まれる水素は、水素原子の他、水素分子、水、水酸基、また
は水素化物として含まれる場合もある。
Note that hydrogen contained in the oxide semiconductor film may be contained as a hydrogen molecule, water, a hydroxyl group, or a hydride in addition to a hydrogen atom.

ガス供給手段35は、ターゲットをスパッタリングするためのガスを処理室31内に供
給する手段である。ガス供給手段35は、ガスが充填されたシリンダ、圧力調整弁、スト
ップバルブ、マスフローコントローラ等で構成されている。なお、ガス供給手段35に精
製機を設けることで、処理室31内に導入するガスに含まれる不純物を低下することがで
きる。ターゲットをスパッタリングするガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キ
セノン、クリプトン等の希ガスを用いる。または、上記希ガスの一と、酸素との混合ガス
を用いることができる。
The gas supply means 35 is a means for supplying a gas for sputtering the target into the processing chamber 31. The gas supply means 35 includes a cylinder filled with gas, a pressure adjustment valve, a stop valve, a mass flow controller, and the like. In addition, by providing a purifier in the gas supply means 35, impurities contained in the gas introduced into the processing chamber 31 can be reduced. As a gas for sputtering the target, a rare gas such as helium, neon, argon, xenon, or krypton is used. Alternatively, a mixed gas of one of the rare gases and oxygen can be used.

電源装置37は、RF電源装置、AC電源装置、DC電源装置等を適宜用いることがで
きる。なお、図示しないがターゲットを支持するターゲット支持体の内部または外側にマ
グネットを設けると、ターゲット周辺に高密度のプラズマを閉じこめることができ、成膜
速度の向上及び基板へのプラズマダメージを低減できる。当該方法は、マグネトロンスパ
ッタリング法とよばれる。更には、マグネトロンスパッタリング法において、マグネット
を回転可能にすると、磁界の偏りを低減できるため、ターゲットの使用効率が高まり、か
つ基板の面内における膜質のばらつきを低減できる。
As the power supply device 37, an RF power supply device, an AC power supply device, a DC power supply device, or the like can be used as appropriate. Although not shown, if a magnet is provided inside or outside the target support that supports the target, high-density plasma can be confined around the target, and the deposition rate can be improved and plasma damage to the substrate can be reduced. This method is called a magnetron sputtering method. Furthermore, in the magnetron sputtering method, if the magnet can be rotated, the bias of the magnetic field can be reduced, so that the use efficiency of the target can be increased and the variation in film quality in the plane of the substrate can be reduced.

基板支持体40は、GNDに接続されている。基板支持体40にはヒータが設けられて
いる。ヒータとしては、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被
処理物を加熱する装置を用いることができる。
The substrate support 40 is connected to GND. The substrate support 40 is provided with a heater. As the heater, an apparatus for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element can be used.

ターゲット41としては、亜鉛を含む金属酸化物ターゲットを用いることが好ましい。
ターゲット41の代表例としては、四元系金属酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn−O
系金属酸化物や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系金属酸化物、In−S
n−Zn−O系金属酸化物、In−Al−Zn−O系金属酸化物、Sn−Ga−Zn−O
系金属酸化物、Al−Ga−Zn−O系金属酸化物、Sn−Al−Zn−O系金属酸化物
や、二元系金属酸化物であるIn−Zn−O系金属酸化物、Sn−Zn−O系金属酸化物
などのターゲットを用いることができる。
As the target 41, it is preferable to use a metal oxide target containing zinc.
As a typical example of the target 41, a quaternary metal oxide, In—Sn—Ga—Zn—O, is used.
-Based metal oxides, In-Ga-Zn-O-based metal oxides that are ternary metal oxides, In-S
n-Zn-O-based metal oxide, In-Al-Zn-O-based metal oxide, Sn-Ga-Zn-O
Metal oxide, Al—Ga—Zn—O metal oxide, Sn—Al—Zn—O metal oxide, binary metal oxide In—Zn—O metal oxide, Sn— A target such as a Zn-O-based metal oxide can be used.

ターゲット41の一例として、In、Ga、及びZnを含む金属酸化物ターゲットを、
In:Ga:ZnO=1:1:1[mol数比]の組成比とする。また、I
:Ga:ZnO=1:1:2[mol数比]の組成比を有するターゲット
、またはIn:Ga:ZnO=1:1:4[mol数比]の組成比を有する
ターゲット、In:Ga:ZnO=2:1:8[mol数比]の組成比を有
するターゲットを用いることもできる。
As an example of the target 41, a metal oxide target containing In, Ga, and Zn is used.
The composition ratio is In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 1 [molar ratio]. I
A target having a composition ratio of n 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio], or In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 4 [molar number] Ratio] and a target having a composition ratio of In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 2: 1: 8 [molar ratio] can also be used.

なお、ターゲット41と基板51との間隔(T−S間距離)は、原子量の小さい原子が
優先的に基板51上の下地絶縁膜53に到着することが可能な間隔とすることが好ましい
Note that the distance between the target 41 and the substrate 51 (T-S distance) is preferably an interval at which atoms having a small atomic weight can preferentially arrive at the base insulating film 53 on the substrate 51.

図7(A)に示すように、基板支持体40上に下地絶縁膜53が形成された基板51を
、スパッタリング装置の処理室31内に設置する。次に、ガス供給手段35から処理室3
1にターゲット41をスパッタリングするガスを導入する。ターゲット41の純度は、9
9.9%以上、好ましくは99.99%以上のものを用いる。次に、ターゲット41に接
続される電源装置37に電力を供給する。この結果、ガス供給手段35から処理室31に
導入されたスパッタリングガスのイオン43及び電子が、ターゲット41をスパッタリン
グする。
As shown in FIG. 7A, a substrate 51 having a base insulating film 53 formed on a substrate support 40 is placed in a processing chamber 31 of a sputtering apparatus. Next, from the gas supply means 35 to the processing chamber 3
1, a gas for sputtering the target 41 is introduced. The purity of the target 41 is 9
9.9% or more, preferably 99.99% or more is used. Next, power is supplied to the power supply device 37 connected to the target 41. As a result, sputtering gas ions 43 and electrons introduced from the gas supply means 35 into the processing chamber 31 sputter the target 41.

ここで、ターゲット41及び基板51の間隔を、原子量の小さい原子が優先的に基板5
1上の下地絶縁膜53に到着し堆積することが可能な間隔としておくことにより、図7(
B)に示すように、ターゲット41に含まれる原子において、原子量の小さい原子45が
、原子量の大きい原子47より優先的に基板側へ移動することができる。
Here, with respect to the distance between the target 41 and the substrate 51, the atoms having a small atomic weight are preferentially set to the substrate 5.
By setting an interval at which the first insulating layer 53 can be deposited on the underlying insulating film 53 on FIG.
As shown in B), among the atoms contained in the target 41, the atoms 45 having a small atomic weight can move preferentially to the substrate side over the atoms 47 having a large atomic weight.

ターゲット41においては、亜鉛は、インジウム等よりも原子量が小さい。このため、
亜鉛が優先的に下地絶縁膜53上に堆積する。また、成膜時の雰囲気に酸素を含み、基板
支持体40には、成膜時に基板及び堆積膜を加熱するヒータが設けられるため、下地絶縁
膜53上に堆積した亜鉛が酸化され、六方晶構造の亜鉛を含む結晶を有する種結晶55a
、代表的には六方晶構造の酸化亜鉛を有する種結晶が形成される。なお、ターゲット41
にアルミニウム等の亜鉛より原子量の小さい原子が含まれる場合、亜鉛と共に、アルミニ
ウム等の亜鉛より原子量の小さい原子も優先的に下地絶縁膜53上に堆積する。
In the target 41, zinc has a smaller atomic weight than indium or the like. For this reason,
Zinc is preferentially deposited on the base insulating film 53. In addition, since the atmosphere at the time of film formation includes oxygen, and the substrate support 40 is provided with a heater for heating the substrate and the deposited film at the time of film formation, the zinc deposited on the base insulating film 53 is oxidized and hexagonal crystal Seed crystal 55a having crystals containing zinc of structure
Typically, a seed crystal having zinc oxide having a hexagonal crystal structure is formed. The target 41
When atoms having a smaller atomic weight than zinc such as aluminum are included, atoms having a smaller atomic weight than zinc such as aluminum are preferentially deposited on the base insulating film 53 together with zinc.

種結晶55aは、a−b面において六角形の格子を有する結合を有し、a−b面が膜表
面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直である六方晶のウルツ鉱構造の亜鉛を含む
結晶を有する。ここで、a−b面において六角形の格子を有する結合を有し、a−b面が
膜表面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直である六方晶構造の亜鉛を含む結晶に
ついて、図8を用いて説明する。ここでは、六方晶構造の亜鉛を含む結晶の代表例として
、酸化亜鉛を用いて説明し、黒丸が亜鉛、白丸が酸素を示す。図8(A)は、a−b面に
おける、六方晶構造の酸化亜鉛の模式図であり、図8(B)は、紙面の縦方向をc軸方向
とした、六方晶構造の酸化亜鉛の模式図である。図8(A)に示すように、a−b面にお
ける上平面において、亜鉛及び酸素が六角形をなす結合をしている。また、図8(B)に
示すように、亜鉛及び酸素がなす六角形の格子を有する結合を有する層が積層され、c軸
方向はa−b面に垂直である。種結晶55aは、a−b面において六角形の格子を有する
結合を有する層をc軸方向に1原子層以上有する。
The seed crystal 55a has a bond having a hexagonal lattice in the ab plane, the ab plane is substantially parallel to the film surface, and the c-axis is substantially perpendicular to the film surface. Crystal having zinc. Here, a crystal containing hexagonal zinc having a bond having a hexagonal lattice in the ab plane, the ab plane being substantially parallel to the film surface, and the c-axis being substantially perpendicular to the film surface. Will be described with reference to FIG. Here, as a typical example of a crystal containing zinc having a hexagonal crystal structure, description will be made using zinc oxide, with a black circle indicating zinc and a white circle indicating oxygen. FIG. 8A is a schematic diagram of zinc oxide having a hexagonal structure in the ab plane, and FIG. 8B is a diagram of zinc oxide having a hexagonal structure in which the longitudinal direction of the paper is the c-axis direction. It is a schematic diagram. As shown in FIG. 8A, zinc and oxygen form a hexagonal bond on the upper plane in the ab plane. Further, as shown in FIG. 8B, a layer having a bond having a hexagonal lattice formed by zinc and oxygen is stacked, and the c-axis direction is perpendicular to the ab plane. The seed crystal 55a has one or more atomic layers in the c-axis direction that have a bond having a hexagonal lattice in the ab plane.

連続して、ターゲット41をスパッタリングガスでスパッタリングすることで、種結晶
55a上にターゲットに含まれる原子が堆積するが、このとき種結晶55aを核として結
晶成長するため、種結晶55a上に六方晶構造の結晶性を有する領域を含む酸化物半導体
膜55bを形成することができる。なお、基板51は、基板支持体40に設けられるヒー
タによって加熱されるため、種結晶55aを核とし、被表面に堆積する原子が酸化されつ
つ結晶成長する。
By continuously sputtering the target 41 with a sputtering gas, atoms contained in the target are deposited on the seed crystal 55a. At this time, since the crystal grows using the seed crystal 55a as a nucleus, a hexagonal crystal is formed on the seed crystal 55a. The oxide semiconductor film 55b including a region having a crystalline structure can be formed. Since the substrate 51 is heated by the heater provided on the substrate support 40, the seed crystal 55a serves as a nucleus, and the atoms deposited on the surface are grown while being oxidized.

酸化物半導体膜55bは、種結晶55aを核とし、ターゲット41の表面における原子
量の重い原子、及び種結晶55aの形成の後にスパッタリングされた原子量の軽い原子が
酸化されつつ結晶成長するため、種結晶55aと同様に、a−b面において六角形の格子
を有する結合を有し、a−b面が膜表面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂直であ
る六方晶構造の結晶性を有する領域を含む。即ち、種結晶55a及び酸化物半導体膜55
bで構成される酸化物半導体膜55は、下地絶縁膜53表面に概略平行なa−b面におい
て六角形の格子を有する結合を有し、c軸が膜表面に概略垂直である六方晶構造の結晶性
を有する領域を含む。つまり、酸化物半導体膜55に含まれる六方晶構造の結晶性を有す
る領域はc軸配向している。なお、図6(B)では、種結晶55aと酸化物半導体膜55
bの界面を点線で示し、酸化物半導体膜の積層と説明しているが、明確な界面が存在して
いるのではなく、あくまで分かりやすく説明するために図示している。
Since the oxide semiconductor film 55b has the seed crystal 55a as a nucleus, the atomic atom having a heavy atomic weight on the surface of the target 41 and the light atomic atom having a low atomic weight sputtered after the formation of the seed crystal 55a are grown while being oxidized. Similar to 55a, the crystallinity of a hexagonal structure having bonds having a hexagonal lattice in the ab plane, the ab plane being substantially parallel to the film surface, and the c-axis being substantially perpendicular to the film surface Including a region having That is, the seed crystal 55a and the oxide semiconductor film 55
The oxide semiconductor film 55 composed of b has a hexagonal crystal structure having a bond having a hexagonal lattice in an ab plane substantially parallel to the surface of the base insulating film 53 and a c-axis being substantially perpendicular to the film surface. The region having the crystallinity of That is, the hexagonal crystal region included in the oxide semiconductor film 55 is c-axis aligned. Note that in FIG. 6B, the seed crystal 55a and the oxide semiconductor film 55 are formed.
Although the interface of b is indicated by a dotted line and is described as a stack of oxide semiconductor films, a clear interface does not exist, but is illustrated for easy understanding.

このときのヒータによる基板の加熱温度は200℃より大きく400℃以下、好ましく
は250℃以上350℃以下とする。200℃より大きく400℃以下、好ましくは25
0℃以上350℃以下に基板を加熱しながら成膜をすることによって、成膜と同時に加熱
処理がなされるので、良好な結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜を成膜することが
できる。なお、スパッタリング時における被成膜面の温度は、250℃以上基板の熱処理
上限温度以下とする。
The heating temperature of the substrate by the heater at this time is greater than 200 ° C. and 400 ° C. or less, preferably 250 ° C. or more and 350 ° C. or less. Greater than 200 ° C and less than or equal to 400 ° C, preferably 25
By performing film formation while heating the substrate to 0 ° C. or higher and 350 ° C. or lower, heat treatment is performed at the same time as film formation, so that an oxide semiconductor film including a region having favorable crystallinity can be formed. . Note that the temperature of the film formation surface during sputtering is set to 250 ° C. or more and the heat treatment upper limit temperature of the substrate or less.

なお、スパッタリングガスは、希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、希ガス及び酸素
の混合ガスを適宜用いる。また、スパッタリングガスには、水素、水、水酸基または水素
化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
Note that a rare gas (typically argon), oxygen, a rare gas, and a mixed gas of oxygen are appropriately used as the sputtering gas. As the sputtering gas, it is preferable to use a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride are removed.

なお、基板支持体40及びターゲット41を有する処理室の圧力を0.4Pa以下とす
ることで、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜の表面及び膜中への、アルカリ金属
、水素等の不純物の混入を低減することができる。
Note that by setting the pressure in the treatment chamber including the substrate support 40 and the target 41 to 0.4 Pa or less, the surface of the oxide semiconductor film including a region having crystallinity and an alkali metal, hydrogen, or the like into the film Impurity contamination can be reduced.

また、スパッタリング装置の処理室のリークレートを1×10−10Pa・m/秒以
下とすることで、スパッタリング法による成膜途中における結晶性を有する領域を含む酸
化物半導体膜への、アルカリ金属、水素、水、水酸基または水素化物等の不純物の混入を
低減することができる。また、排気系として吸着型の真空ポンプを用いることで、排気系
からアルカリ金属、水素、水、水酸基または水素化物等の不純物の逆流を低減することが
できる。
In addition, by setting the leak rate of the processing chamber of the sputtering apparatus to 1 × 10 −10 Pa · m 3 / sec or less, alkali is applied to the oxide semiconductor film including a region having crystallinity during film formation by the sputtering method. Incorporation of impurities such as metal, hydrogen, water, hydroxyl group or hydride can be reduced. Further, by using an adsorption-type vacuum pump as an exhaust system, backflow of impurities such as alkali metal, hydrogen, water, hydroxyl group, or hydride from the exhaust system can be reduced.

また、ターゲット41の純度を、99.99%以上とすることで、結晶性を有する領域
を含む酸化物半導体膜に混入するアルカリ金属、水素、水、水酸基または水素化物等を低
減することができる。また、当該ターゲットを用いることで、酸化物半導体膜55におい
て、リチウムの濃度を5×1015cm−3以下、好ましくは1×1015cm−3以下
、ナトリウムの濃度を5×1016cm−3以下、好ましくは1×1016cm−3以下
、さらに好ましくは1×1015cm−3以下、カリウムの濃度を5×1015cm−3
以下、好ましくは1×1015cm−3以下とすることができる。
In addition, when the purity of the target 41 is 99.99% or more, alkali metal, hydrogen, water, a hydroxyl group, a hydride, or the like mixed in an oxide semiconductor film including a crystalline region can be reduced. . Further, when the target is used, in the oxide semiconductor film 55, the concentration of lithium more than 5 × 10 15 cm -3, preferably 1 × 10 15 cm -3 or less, the concentration of sodium 5 × 10 16 cm - 3 or less, preferably 1 × 10 16 cm −3 or less, more preferably 1 × 10 15 cm −3 or less, and the concentration of potassium is 5 × 10 15 cm −3.
Hereinafter, it may be preferably 1 × 10 15 cm −3 or less.

上記の成膜方法では、同一のスパッタリング工程において、ターゲットに含まれる原子
量の違いを利用し、原子量の小さい亜鉛を優先的に酸化絶縁膜に堆積させ、種結晶を形成
すると共に、種結晶上に原子量の大きいインジウム等を結晶成長させつつ堆積させるため
、複数の工程を経ずとも、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜を形成することがで
きる。
In the film formation method described above, in the same sputtering step, the difference in the atomic weight contained in the target is utilized, zinc having a small atomic weight is preferentially deposited on the oxide insulating film to form a seed crystal, and on the seed crystal. Since indium or the like having a large atomic weight is deposited while crystal is grown, an oxide semiconductor film including a crystalline region can be formed without performing a plurality of steps.

上記の酸化物半導体膜55の成膜方法では、スパッタリング法の成膜によって、種結晶
55aと酸化物半導体膜55bとを一括で成膜しながら結晶化したが、本実施の形態に係
る酸化物半導体膜は必ずしもこのように成膜する必要はない。たとえば、種結晶と酸化物
半導体膜の成膜と結晶化をそれぞれ別々に行っても良い。
In the film formation method of the oxide semiconductor film 55 described above, the seed crystal 55a and the oxide semiconductor film 55b are crystallized together by film formation by sputtering, but the oxide according to this embodiment The semiconductor film is not necessarily formed in this way. For example, the seed crystal and the oxide semiconductor film may be formed and crystallized separately.

以下に、図9を用いて、種結晶と酸化物半導体膜の成膜と結晶化をそれぞれ別々に行う
方法について説明する。また、以下のように結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜を
成膜する方法を、本明細書中で2step法とよぶ場合がある。なお、図1の断面TEM
像に示した、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、当該2step法をもちいて
形成したものである。
Hereinafter, a method for separately forming and crystallizing the seed crystal and the oxide semiconductor film will be described with reference to FIGS. In addition, a method for forming an oxide semiconductor film including a crystalline region as described below may be referred to as a two-step method in this specification. Note that the cross-section TEM in FIG.
The oxide semiconductor film including a region having crystallinity shown in the image is formed using the 2step method.

まず、下地絶縁膜53上に膜厚1nm以上10nm以下の第1の酸化物半導体膜を形成
する。第1の酸化物半導体膜の形成は、スパッタリング法を用い、そのスパッタリング法
による成膜時の基板温度は200℃以上400℃以下とすることが好ましい。その他の成
膜条件については、上記の酸化物半導体膜の成膜方法と同様である。
First, a first oxide semiconductor film with a thickness of 1 nm to 10 nm is formed over the base insulating film 53. The first oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, and the substrate temperature at the time of film formation by the sputtering method is preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. Other film formation conditions are the same as those in the above-described method for forming an oxide semiconductor film.

次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第1の加熱処
理を行う。第1の加熱処理の温度は、400℃以上750℃以下とする。第1の加熱処理
によって、第1の酸化物半導体膜を結晶化し、種結晶56aを形成する(図9(A)参照
)。
Next, a first heat treatment is performed using nitrogen or dry air as a chamber atmosphere in which the substrate is placed. The temperature of the first heat treatment is 400 ° C. or higher and 750 ° C. or lower. Through the first heat treatment, the first oxide semiconductor film is crystallized to form a seed crystal 56a (see FIG. 9A).

第1の加熱処理の温度にもよるが、第1の加熱処理によって、膜表面から結晶化が起こ
り、膜の表面から内部に向かって結晶成長し、c軸配向した結晶が得られる。第1の加熱
処理によって、亜鉛と酸素が膜表面に多く集まり、上平面が六角形をなす亜鉛と酸素から
なるグラフェンタイプの二次元結晶が最表面に1層または複数層形成され、これが膜厚方
向に成長して重なり積層となる。加熱処理の温度を上げると表面から内部、そして内部か
ら底部と結晶成長が進行する。
Although depending on the temperature of the first heat treatment, crystallization occurs from the film surface by the first heat treatment, and crystals grow from the surface of the film to the inside to obtain c-axis oriented crystals. By the first heat treatment, a large amount of zinc and oxygen gathers on the film surface, and a graphene-type two-dimensional crystal composed of zinc and oxygen having a hexagonal upper surface is formed on the outermost surface. It grows in the direction and overlaps. When the temperature of the heat treatment is increased, crystal growth proceeds from the surface to the inside and from the inside to the bottom.

また、下地絶縁膜53に加熱により酸素の一部が放出される酸化物絶縁膜をもちいるこ
とにより、第1の加熱処理によって、下地絶縁膜53中の酸素を種結晶56aとの界面ま
たはその近傍(界面からプラスマイナス5nm)に拡散させて、種結晶56aの酸素欠陥
を低減することができる。
In addition, by using an oxide insulating film from which part of oxygen is released by heating as the base insulating film 53, oxygen in the base insulating film 53 is interfaced with the seed crystal 56 a or its interface by the first heat treatment. Oxygen defects in the seed crystal 56a can be reduced by diffusing in the vicinity (plus or minus 5 nm from the interface).

次いで、種結晶56a上に10nmよりも厚い第2の酸化物半導体膜を形成する。第2
の酸化物半導体膜の形成は、スパッタリング法を用い、その成膜時における基板温度は2
00℃以上400℃以下とする。その他の成膜条件については、上記の酸化物半導体膜の
成膜方法と同様である。
Next, a second oxide semiconductor film thicker than 10 nm is formed over the seed crystal 56a. Second
The oxide semiconductor film is formed by sputtering, and the substrate temperature at the time of film formation is 2
It is set as 00 degreeC or more and 400 degrees C or less. Other film formation conditions are the same as those in the above-described method for forming an oxide semiconductor film.

次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第2の加熱処
理を行う。第2の加熱処理の温度は、400℃以上750℃以下とする。第2の加熱処理
によって、第2の酸化物半導体膜を結晶化し、酸化物半導体膜56bを形成する(図9(
B)参照)。第2の加熱処理は、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、或いは窒素と酸素の混合
雰囲気下で行うことにより、酸化物半導体膜56bの高密度化及び欠陥数の減少を図る。
第2の加熱処理によって、種結晶56aを核として膜厚方向、即ち底部から内部に結晶成
長が進行して結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜56bが形成される。このように
して、種結晶56aと酸化物半導体膜56bとからなる酸化物半導体膜56が形成される
。図9(B)では、種結晶56aと酸化物半導体膜56bの界面を点線で示し、酸化物半
導体積層と説明しているが、明確な界面が存在しているのではなく、あくまで分かりやす
く説明するために図示している。
Next, a second heat treatment is performed using nitrogen or dry air as a chamber atmosphere in which the substrate is placed. The temperature of the second heat treatment is 400 ° C to 750 ° C. By the second heat treatment, the second oxide semiconductor film is crystallized to form the oxide semiconductor film 56b (see FIG. 9
B)). The second heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere, an oxygen atmosphere, or a mixed atmosphere of nitrogen and oxygen, whereby the density of the oxide semiconductor film 56b and the number of defects are reduced.
Through the second heat treatment, an oxide semiconductor film 56b including a region having crystallinity is formed by crystal growth progressing in the film thickness direction, that is, from the bottom to the inside with the seed crystal 56a as a nucleus. In this manner, the oxide semiconductor film 56 including the seed crystal 56a and the oxide semiconductor film 56b is formed. In FIG. 9B, the interface between the seed crystal 56a and the oxide semiconductor film 56b is indicated by a dotted line, and is described as an oxide semiconductor stack. However, a clear interface does not exist, and the description is easy to understand. Shown to do.

また、下地絶縁膜53の形成から第2の加熱処理までの工程を大気に触れることなく連
続的に行うことが好ましい。下地絶縁膜53の形成から第2の加熱処理までの工程は、水
素及び水分をほとんど含まない雰囲気(不活性雰囲気、減圧雰囲気、乾燥空気雰囲気など
)下に制御することが好ましく、例えば、水分については露点−40℃以下、好ましくは
露点−50℃以下の乾燥窒素雰囲気とすることが好ましい。
In addition, it is preferable that the steps from the formation of the base insulating film 53 to the second heat treatment be performed continuously without exposure to the air. The steps from the formation of the base insulating film 53 to the second heat treatment are preferably controlled in an atmosphere (inert atmosphere, reduced pressure atmosphere, dry air atmosphere, or the like) that hardly contains hydrogen and moisture. Is preferably a dry nitrogen atmosphere having a dew point of −40 ° C. or lower, preferably a dew point of −50 ° C. or lower.

上記の成膜方法では、原子量の小さい原子を優先的に酸化絶縁膜に堆積させる成膜方法
と比較して、成膜時の基板温度が低くても、良好な結晶性を有する領域を含む酸化物半導
体膜を形成することができる。なお、上記の2step法を用いて成膜した、酸化物半導
体膜56も、原子量の小さい原子を優先的に酸化絶縁膜に堆積させる成膜方法を用いて成
膜した酸化物半導体膜55と同程度の結晶性を有し、電気伝導度も安定している。よって
、どちらの方法で成膜した酸化物半導体膜を用いても、安定した電気的特性を有する、信
頼性の高い半導体装置を提供することができる。なお、以下の工程においては、酸化物半
導体膜55を用いてトランジスタ120の作製工程を説明するが、もちろん同様に酸化物
半導体膜56も用いることができる。
In the above film formation method, compared with a film formation method in which atoms with a small atomic weight are preferentially deposited on an oxide insulating film, an oxidation including a region having good crystallinity even when the substrate temperature during film formation is low. A physical semiconductor film can be formed. Note that the oxide semiconductor film 56 formed by using the above-described 2 step method is the same as the oxide semiconductor film 55 formed by using a deposition method in which atoms having a small atomic weight are preferentially deposited on an oxide insulating film. It has a degree of crystallinity and stable electrical conductivity. Therefore, a highly reliable semiconductor device having stable electric characteristics can be provided regardless of which method is used for forming an oxide semiconductor film. Note that in the following steps, a manufacturing process of the transistor 120 is described using the oxide semiconductor film 55, but the oxide semiconductor film 56 can be used as well.

以上の工程により、下地絶縁膜53上に種結晶55aと酸化物半導体膜55bの積層か
らなる酸化物半導体膜55を成膜することができる。次に、基板51に加熱処理を施して
、酸化物半導体膜55から水素を放出させると共に、下地絶縁膜53に含まれる酸素の一
部を、酸化物半導体膜55と、下地絶縁膜53と酸化物半導体膜55の界面近傍と、に拡
散させることが好ましい。
Through the above steps, the oxide semiconductor film 55 including the seed crystal 55 a and the oxide semiconductor film 55 b can be formed over the base insulating film 53. Next, heat treatment is performed on the substrate 51 to release hydrogen from the oxide semiconductor film 55, and part of oxygen contained in the base insulating film 53 is oxidized with the oxide semiconductor film 55, the base insulating film 53, and the oxide. It is preferable to diffuse to the vicinity of the interface of the physical semiconductor film 55.

加熱処理温度は、酸化物半導体膜55から水素を放出させると共に、下地絶縁膜53に
含まれる酸素の一部を放出させ、さらには酸化物半導体膜55に拡散させる温度が好まし
く、代表的には、150℃以上基板51の歪み点未満、好ましくは250℃以上450℃
以下とする。なお、加熱処理温度は、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜の成膜温
度より高くすることで、下地絶縁膜53に含まれる酸素の一部をより多く放出させること
ができる。
The heat treatment temperature is preferably a temperature at which hydrogen is released from the oxide semiconductor film 55 and part of oxygen contained in the base insulating film 53 is released and further diffused into the oxide semiconductor film 55. 150 ° C. or higher and lower than the strain point of the substrate 51, preferably 250 ° C. or higher and 450 ° C.
The following. Note that when the heat treatment temperature is higher than the deposition temperature of the oxide semiconductor film including a crystalline region, part of oxygen contained in the base insulating film 53 can be released more.

加熱処理は、水素及び水分をほとんど含まない、不活性ガス雰囲気、酸素雰囲気、窒素
雰囲気、酸素と窒素の混合雰囲気などで行うことが好ましい。不活性ガス雰囲気としては
、代表的には、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガス雰囲気で
行うことが好ましい。また、加熱処理の加熱時間は1分以上24時間以下とする。
The heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere, an oxygen atmosphere, a nitrogen atmosphere, a mixed atmosphere of oxygen and nitrogen, or the like that hardly contains hydrogen and moisture. Typically, the inert gas atmosphere is preferably a rare gas atmosphere such as helium, neon, argon, xenon, or krypton. The heating time for the heat treatment is 1 minute to 24 hours.

当該加熱処理により、酸化物半導体膜55から水素を放出させると共に、下地絶縁膜5
3に含まれる酸素の一部を、酸化物半導体膜55と、下地絶縁膜53と酸化物半導体膜5
5の界面近傍と、に拡散させることができる。当該工程により、酸化物半導体膜55中に
含まれる酸素欠陥を低減することができる。この結果、水素濃度及び酸素欠陥が低減され
た結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜を形成することができる。
By the heat treatment, hydrogen is released from the oxide semiconductor film 55 and the base insulating film 5
3, part of oxygen contained in the oxide semiconductor film 55, the base insulating film 53, and the oxide semiconductor film 5
5 near the interface. Through this step, oxygen defects contained in the oxide semiconductor film 55 can be reduced. As a result, an oxide semiconductor film including a region having crystallinity with reduced hydrogen concentration and oxygen defects can be formed.

次に、図6(C)に示すように、酸化物半導体膜55上にマスクを形成し、当該マスク
を用いて酸化物半導体膜55を選択的にエッチングして、酸化物半導体膜59を形成する
。この後、マスクは除去する。
Next, as illustrated in FIG. 6C, a mask is formed over the oxide semiconductor film 55, and the oxide semiconductor film 55 is selectively etched using the mask to form the oxide semiconductor film 59. To do. Thereafter, the mask is removed.

酸化物半導体膜55をエッチングするためのマスクは、フォトリソグラフィ工程、イン
クジェット法、印刷法等を適宜用いて作製することができる。また、酸化物半導体膜55
のエッチングはウエットエッチングまたはドライエッチングを適宜用いることができる。
A mask for etching the oxide semiconductor film 55 can be manufactured using a photolithography process, an inkjet method, a printing method, or the like as appropriate. In addition, the oxide semiconductor film 55
For this etching, wet etching or dry etching can be used as appropriate.

次に、図6(D)に示すように、酸化物半導体膜59に接するソース電極61aおよび
ドレイン電極61bを形成する。
Next, as illustrated in FIG. 6D, the source electrode 61 a and the drain electrode 61 b in contact with the oxide semiconductor film 59 are formed.

ソース電極61aおよびドレイン電極61bは、アルミニウム、クロム、銅、タンタル
、チタン、モリブデン、タングステン、マンガン、ジルコニウムから選ばれた金属元素、
または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金など
を用いて形成することができる。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステ
ン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた金属元素を単数または複
数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。また、ソース電極61aおよび
ドレイン電極61bは、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリ
コンを含むアルミニウム膜の単層構造、Cu−Mg−Al合金膜上に銅膜を積層する2層
構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積
層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜
上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜
を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。
The source electrode 61a and the drain electrode 61b are each a metal element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten, manganese, and zirconium,
Alternatively, it can be formed using an alloy containing the above-described metal element as a component or an alloy combining the above-described metal elements. Alternatively, an alloy film or a nitride film in which one or more metal elements selected from titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium are combined with aluminum may be used. The source electrode 61a and the drain electrode 61b may have a single-layer structure or a stacked structure including two or more layers. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a Cu-Mg-Al alloy film, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film, and a titanium film on a titanium nitride film A two-layer structure in which a tungsten film is laminated on a titanium nitride film, a two-layer structure in which a tungsten film is laminated on a tantalum nitride film, a titanium film, and an aluminum film is laminated on the titanium film, Further, there is a three-layer structure on which a titanium film is formed.

また、ソース電極61aおよびドレイン電極61bは、インジウム錫酸化物、酸化タン
グステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化
チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛
酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適
用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造
とすることもできる。
The source electrode 61a and the drain electrode 61b include indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, A light-transmitting conductive material such as indium zinc oxide or indium tin oxide to which silicon oxide is added can also be used. Alternatively, a stacked structure of the above light-transmitting conductive material and the above metal element can be employed.

ソース電極61aおよびドレイン電極61bは、スパッタリング法、CVD法、蒸着法
等で導電膜を形成した後、該導電膜上にマスクを形成して導電膜をエッチングして形成す
る。導電膜上に形成するマスクは印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィ法を適
宜用いることができる。また、ソース電極61aおよびドレイン電極61bは、印刷法ま
たはインクジェット法により直接形成することもできる。
The source electrode 61a and the drain electrode 61b are formed by forming a conductive film by a sputtering method, a CVD method, an evaporation method, or the like, and then forming a mask over the conductive film and etching the conductive film. As a mask formed over the conductive film, a printing method, an inkjet method, or a photolithography method can be used as appropriate. The source electrode 61a and the drain electrode 61b can also be directly formed by a printing method or an ink jet method.

ここでは、酸化物半導体膜59および下地絶縁膜53上に導電膜を成膜した後、導電膜
を所定の形状にエッチングしてソース電極61aおよびドレイン電極61bを形成する。
Here, after a conductive film is formed over the oxide semiconductor film 59 and the base insulating film 53, the conductive film is etched into a predetermined shape, so that the source electrode 61a and the drain electrode 61b are formed.

なお、酸化物半導体膜55上に導電膜を形成した後、多階調フォトマスクを用いて、酸
化物半導体膜55および導電膜のエッチングを行って、酸化物半導体膜59、ソース電極
61aおよびドレイン電極61bを形成しても良い。凹凸状のマスクを形成し、当該マス
クを用いて酸化物半導体膜55および導電膜をエッチングした後、アッシングにより凹凸
状のマスクを分離し、当該分離されたマスクにより導電膜を選択的にエッチングすること
で、酸化物半導体膜59、ソース電極61aおよびドレイン電極61bを形成することが
できる。当該工程により、フォトマスク数およびフォトリソグラフィ工程数を削減するこ
とができる。
Note that after a conductive film is formed over the oxide semiconductor film 55, the oxide semiconductor film 55 and the conductive film are etched using a multi-tone photomask so that the oxide semiconductor film 59, the source electrode 61a, and the drain are etched. The electrode 61b may be formed. After forming an uneven mask, the oxide semiconductor film 55 and the conductive film are etched using the mask, the uneven mask is separated by ashing, and the conductive film is selectively etched using the separated mask. Thus, the oxide semiconductor film 59, the source electrode 61a, and the drain electrode 61b can be formed. Through this process, the number of photomasks and the number of photolithography processes can be reduced.

次に、酸化物半導体膜59およびソース電極61aおよびドレイン電極61b上にゲー
ト絶縁膜63を形成する。
Next, the gate insulating film 63 is formed over the oxide semiconductor film 59, the source electrode 61a, and the drain electrode 61b.

ゲート絶縁膜63は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリ
コン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、または酸化ガリウムを単層でまたは積
層して形成することができる。なお、ゲート絶縁膜63は、酸化物半導体膜59と接する
部分が酸素を含むことが好ましく、特に好ましくは下地絶縁膜53と同様に加熱により酸
素を放出する酸化物絶縁膜を用いて形成する。酸素を放出する酸化物絶縁膜として酸化シ
リコン膜を用いることで、後の工程で加熱処理を行う際に酸化物半導体膜59に酸素を拡
散させることができ、トランジスタ120の特性を良好にすることができる。
The gate insulating film 63 can be formed using a single layer or a stack of silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, or gallium oxide. Note that the gate insulating film 63 preferably includes oxygen at a portion in contact with the oxide semiconductor film 59, and is particularly preferably formed using an oxide insulating film that releases oxygen by heating, similarly to the base insulating film 53. By using a silicon oxide film as the oxide insulating film from which oxygen is released, oxygen can be diffused into the oxide semiconductor film 59 when heat treatment is performed in a later step, so that the characteristics of the transistor 120 are improved. Can do.

また、ゲート絶縁膜63として、ハフニウムシリケート(HfSiO)、窒素が添加
されたハフニウムシリケート(HfSi)、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート(HfAl)、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのhigh−
k材料を用いることでゲートリークを低減できる。さらには、high−k材料と、酸化
シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸
化窒化アルミニウム、および酸化ガリウムのいずれか一以上との積層構造とすることがで
きる。ゲート絶縁膜63の厚さは、1nm以上300nm以下、より好ましくは5nm以
上50nm以下とするとよい。ゲート絶縁膜63の厚さを5nm以上とすることで、ゲー
トリーク電流を低減することができる。
Further, as the gate insulating film 63, hafnium silicate (HfSiO x ), hafnium silicate added with nitrogen (HfSi x O y N z ), hafnium aluminate added with nitrogen (HfAl x O y N z ), hafnium oxide High-, such as yttrium oxide
Gate leakage can be reduced by using the k material. Further, a stacked structure of a high-k material and any one or more of silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, and gallium oxide can be employed. The thickness of the gate insulating film 63 is preferably 1 nm to 300 nm, more preferably 5 nm to 50 nm. By setting the thickness of the gate insulating film 63 to 5 nm or more, the gate leakage current can be reduced.

なお、ゲート絶縁膜63を形成する前に、酸化物半導体膜59の表面を、酸素、オゾン
、一酸化二窒素等の酸化性ガスのプラズマに曝し、酸化物半導体膜59の表面を酸化し、
酸素欠損を低減してもよい。
Note that before the gate insulating film 63 is formed, the surface of the oxide semiconductor film 59 is exposed to plasma of an oxidizing gas such as oxygen, ozone, or dinitrogen monoxide, and the surface of the oxide semiconductor film 59 is oxidized.
Oxygen deficiency may be reduced.

次に、ゲート絶縁膜63上であって、酸化物半導体膜59と重畳する領域にゲート電極
65を形成する。
Next, the gate electrode 65 is formed over the gate insulating film 63 and in a region overlapping with the oxide semiconductor film 59.

ゲート電極65は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タン
グステン、マンガン、ジルコニウムから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成
分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができ
る。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネ
オジム、スカンジウムから選ばれた金属元素を単数または複数組み合わせた合金膜、もし
くは窒化膜を用いてもよい。また、ゲート電極65は、単層構造でも、二層以上の積層構
造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上
にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チ
タン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタングステン膜を積
層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上
にチタン膜を形成する三層構造などがある。
The gate electrode 65 is a metal element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten, manganese, zirconium, an alloy containing the above-described metal element, or an alloy combining the above-described metal elements. Can be used. Alternatively, an alloy film or a nitride film in which one or more metal elements selected from titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium are combined with aluminum may be used. The gate electrode 65 may have a single-layer structure or a stacked structure of two or more layers. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on a titanium nitride film, and a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a titanium nitride film There are a layer structure, a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a tantalum nitride film, a titanium film, and a three-layer structure in which an aluminum film is stacked on the titanium film and a titanium film is further formed thereon.

また、ゲート電極65は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加し
たインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、
In−Ga−Zn−O系金属酸化物をターゲットとし、窒素を含む雰囲気中でスパッタリ
ングすることにより得られる化合物導電体を用いても良い。また、上記透光性を有する導
電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
The gate electrode 65 includes indium tin oxide, indium oxide including tungsten oxide, indium zinc oxide including tungsten oxide, indium oxide including titanium oxide, indium tin oxide including titanium oxide, and indium zinc oxide. Alternatively, a light-transmitting conductive material such as indium tin oxide to which silicon oxide is added can be used. Also,
A compound conductor obtained by sputtering in an atmosphere containing nitrogen using an In—Ga—Zn—O-based metal oxide as a target may be used. Alternatively, a stacked structure of the above light-transmitting conductive material and the above metal element can be employed.

さらに、ゲート電極65上に保護膜として絶縁膜69を形成してもよい(図6(E)参
照。)。また、ゲート絶縁膜63および絶縁膜69にコンタクトホールを形成した後、ソ
ース電極61aおよびドレイン電極61bに接続する配線を形成してもよい。
Further, an insulating film 69 may be formed over the gate electrode 65 as a protective film (see FIG. 6E). Alternatively, after forming contact holes in the gate insulating film 63 and the insulating film 69, wirings connected to the source electrode 61a and the drain electrode 61b may be formed.

絶縁膜69は、ゲート絶縁膜63と同様の絶縁膜を適宜用いて形成することができる。
また、絶縁膜69としてスパッタリング法で得られる窒化シリコン膜を形成すると、外部
からの水分やアルカリ金属の侵入を防止することが可能であり、酸化物半導体膜59の不
純物の含有量を低減することができる。
The insulating film 69 can be formed using an insulating film similar to the gate insulating film 63 as appropriate.
Further, when a silicon nitride film obtained by a sputtering method is formed as the insulating film 69, entry of moisture or alkali metal from the outside can be prevented, and the content of impurities in the oxide semiconductor film 59 can be reduced. Can do.

なお、ゲート絶縁膜63の形成の後、または絶縁膜69の形成の後、加熱処理を行って
もよい。当該加熱処理によって、酸化物半導体膜59から水素を放出させると共に、下地
絶縁膜53、ゲート絶縁膜63または絶縁膜69に含まれる酸素の一部を、酸化物半導体
膜59と、下地絶縁膜53と酸化物半導体膜59の界面近傍と、ゲート絶縁膜63と酸化
物半導体膜59の界面近傍と、に拡散させることができる。当該工程により、酸化物半導
体膜59中に含まれる酸素欠陥を低減することができると共に、酸化物半導体膜59と下
地絶縁膜53、または酸化物半導体膜59とゲート絶縁膜63の界面における欠陥を低減
することができる。この結果、水素濃度及び酸素欠陥が低減された酸化物半導体膜59を
形成することができる。このように高純度化され、i型(真性半導体)またはi型に限り
なく近い酸化物半導体膜を形成することで、極めて優れた特性のトランジスタを実現する
ことができる。
Note that heat treatment may be performed after the gate insulating film 63 is formed or after the insulating film 69 is formed. Through the heat treatment, hydrogen is released from the oxide semiconductor film 59 and part of oxygen contained in the base insulating film 53, the gate insulating film 63, or the insulating film 69 is removed from the oxide semiconductor film 59 and the base insulating film 53. And the vicinity of the interface between the oxide semiconductor film 59 and the vicinity of the interface between the gate insulating film 63 and the oxide semiconductor film 59. Through this step, oxygen defects contained in the oxide semiconductor film 59 can be reduced, and defects at the interface between the oxide semiconductor film 59 and the base insulating film 53 or between the oxide semiconductor film 59 and the gate insulating film 63 can be reduced. Can be reduced. As a result, the oxide semiconductor film 59 with reduced hydrogen concentration and oxygen defects can be formed. In this manner, by forming an oxide semiconductor film that is highly purified and that is as close as possible to i-type (intrinsic semiconductor) or i-type, a transistor with extremely excellent characteristics can be realized.

以上の工程により、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜をチャネル領域に有する
トランジスタ120を作製することができる。図6(E)に示すように、トランジスタ1
20は、基板51上に設けられた下地絶縁膜53と、下地絶縁膜53上に設けられた酸化
物半導体膜59と、酸化物半導体膜59の上面および側面と接するように設けられたソー
ス電極61aおよびドレイン電極61bと、酸化物半導体膜59上に設けられたゲート絶
縁膜63と、酸化物半導体膜59と重畳してゲート絶縁膜63上に設けられたゲート電極
65と、ゲート電極65上に設けられた絶縁膜69とを有する。
Through the above steps, the transistor 120 including an oxide semiconductor film including a crystalline region in a channel region can be manufactured. As shown in FIG. 6E, the transistor 1
Reference numeral 20 denotes a base insulating film 53 provided on the substrate 51, an oxide semiconductor film 59 provided on the base insulating film 53, and a source electrode provided so as to be in contact with the upper surface and side surfaces of the oxide semiconductor film 59. 61a and drain electrode 61b, a gate insulating film 63 provided on the oxide semiconductor film 59, a gate electrode 65 provided on the gate insulating film 63 so as to overlap with the oxide semiconductor film 59, and on the gate electrode 65 And an insulating film 69.

トランジスタ120に用いられている結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、全
体が非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠陥に代表
されるような欠陥や、ダングリングボンドなどに結合する水素などの不純物が低減されて
いる。これらの酸素欠陥に代表されるような欠陥や、ダングリングボンドなどに結合する
水素などは、酸化物半導体膜中でキャリアの供給源のように機能するため、当該酸化物半
導体膜の電気伝導度が変動する原因となりうる。よって、これらが低減されている、結晶
性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光な
どの照射に対してもより電気的に安定な構造を有する。このような結晶性を有する領域を
含む酸化物半導体膜をトランジスタに用いることによって、安定した電気的特性を有する
、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
The oxide semiconductor film including a region having crystallinity used for the transistor 120 has excellent crystallinity as compared with the oxide semiconductor film having an amorphous structure, and thus is represented by oxygen defects. Impurities such as hydrogen and hydrogen bonded to dangling bonds and the like are reduced. Defects typified by these oxygen defects, hydrogen bonded to dangling bonds, and the like function as a carrier supply source in the oxide semiconductor film; thus, the electric conductivity of the oxide semiconductor film May cause fluctuations. Therefore, an oxide semiconductor film including a crystalline region in which these are reduced has a stable electric conductivity and a structure that is more electrically stable to irradiation with visible light, ultraviolet light, or the like. Have By using an oxide semiconductor film including such a region having crystallinity for a transistor, a highly reliable semiconductor device having stable electrical characteristics can be provided.

また、本発明に係る半導体装置は、図6に示すトランジスタ120に限られるものでは
ない。例えば、図10(A)に示すトランジスタ130のような構造としても良い。トラ
ンジスタ130は、基板51上に設けられた下地絶縁膜53と、下地絶縁膜53上に設け
られたソース電極61aおよびドレイン電極61bと、ソース電極61aおよびドレイン
電極61bの上面および側面と接するように設けられた酸化物半導体膜59と、酸化物半
導体膜59上に設けられたゲート絶縁膜63と、酸化物半導体膜59と重畳してゲート絶
縁膜63上に設けられたゲート電極65と、ゲート電極65上に設けられた絶縁膜69と
を有する。つまり、トランジスタ130は、酸化物半導体膜59がソース電極61aおよ
びドレイン電極61bの上面および側面と接するように設けられている点において、トラ
ンジスタ120と異なる。
Further, the semiconductor device according to the present invention is not limited to the transistor 120 shown in FIG. For example, a structure like the transistor 130 illustrated in FIG. The transistor 130 is in contact with the base insulating film 53 provided over the substrate 51, the source electrode 61a and the drain electrode 61b provided over the base insulating film 53, and the top and side surfaces of the source electrode 61a and the drain electrode 61b. An oxide semiconductor film 59 provided; a gate insulating film 63 provided on the oxide semiconductor film 59; a gate electrode 65 provided on the gate insulating film 63 so as to overlap with the oxide semiconductor film 59; And an insulating film 69 provided on the electrode 65. That is, the transistor 130 is different from the transistor 120 in that the oxide semiconductor film 59 is provided so as to be in contact with the top surface and the side surface of the source electrode 61a and the drain electrode 61b.

また、図10(B)に示すトランジスタ140のような構造としても良い。トランジス
タ140は、基板51上に設けられた下地絶縁膜53と、下地絶縁膜53上に設けられた
ゲート電極65と、ゲート電極65上に設けられたゲート絶縁膜63と、ゲート絶縁膜6
3上に設けられた酸化物半導体膜59と、酸化物半導体膜59の上面および側面と接する
ように設けられたソース電極61aおよびドレイン電極61bと、酸化物半導体膜59上
に設けられた絶縁膜69とを有する。つまり、トランジスタ140は、ゲート電極65と
ゲート絶縁膜63が酸化物半導体膜59の下に設けられた、ボトムゲート構造である点に
おいて、トランジスタ120と異なる。
Further, a structure like the transistor 140 illustrated in FIG. 10B may be employed. The transistor 140 includes a base insulating film 53 provided on the substrate 51, a gate electrode 65 provided on the base insulating film 53, a gate insulating film 63 provided on the gate electrode 65, and the gate insulating film 6.
3, an oxide semiconductor film 59 provided on the oxide semiconductor film 59, a source electrode 61 a and a drain electrode 61 b provided so as to be in contact with an upper surface and a side surface of the oxide semiconductor film 59, and an insulating film provided on the oxide semiconductor film 59 69. That is, the transistor 140 is different from the transistor 120 in that the transistor 140 has a bottom gate structure in which the gate electrode 65 and the gate insulating film 63 are provided below the oxide semiconductor film 59.

また、図10(C)に示すトランジスタ150のような構造としても良い。トランジス
タ150は、基板51上に設けられた下地絶縁膜53と、下地絶縁膜53上に設けられた
ゲート電極65と、ゲート電極65上に設けられたゲート絶縁膜63と、ゲート絶縁膜6
3上に設けられたソース電極61aおよびドレイン電極61bと、ソース電極61aおよ
びドレイン電極61bの上面および側面と接するように設けられた酸化物半導体膜59と
、酸化物半導体膜59上に設けられた絶縁膜69とを有する。つまり、トランジスタ15
0は、ゲート電極65とゲート絶縁膜63が酸化物半導体膜59の下に設けられた、ボト
ムゲート構造である点において、トランジスタ130と異なる。
Alternatively, a structure like the transistor 150 illustrated in FIG. The transistor 150 includes a base insulating film 53 provided on the substrate 51, a gate electrode 65 provided on the base insulating film 53, a gate insulating film 63 provided on the gate electrode 65, and the gate insulating film 6.
3, the source electrode 61 a and the drain electrode 61 b provided on the oxide semiconductor film 59, the oxide semiconductor film 59 provided so as to be in contact with the top and side surfaces of the source electrode 61 a and the drain electrode 61 b, and the oxide semiconductor film 59 provided And an insulating film 69. That is, the transistor 15
0 is different from the transistor 130 in that it has a bottom gate structure in which the gate electrode 65 and the gate insulating film 63 are provided under the oxide semiconductor film 59.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと
適宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、先の実施の形態に示す、結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜
を用いたトランジスタとは異なる構造のトランジスタについて図11および図12を用い
て説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a transistor having a structure different from that of the transistor including an oxide semiconductor film including a region having crystallinity described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.

図11(A)に示すトップゲート構造のトランジスタ160は、基板351上に設けら
れた下地絶縁膜353と、下地絶縁膜353上に設けられた金属酸化物膜371と、金属
酸化物膜371上に設けられた酸化物半導体膜359と、酸化物半導体膜359の上面お
よび側面と接するように設けられたソース電極361aおよびドレイン電極361bと、
酸化物半導体膜359上に設けられた金属酸化物膜373と、金属酸化物膜373上に設
けられたゲート絶縁膜363と、酸化物半導体膜359と重畳してゲート絶縁膜363上
に設けられたゲート電極365と、ゲート電極365上に設けられた絶縁膜369とを有
する。
A top-gate transistor 160 illustrated in FIG. 11A includes a base insulating film 353 provided over a substrate 351, a metal oxide film 371 provided over the base insulating film 353, and a metal oxide film 371. An oxide semiconductor film 359 provided on the source electrode 361a, a source electrode 361a and a drain electrode 361b provided so as to be in contact with an upper surface and a side surface of the oxide semiconductor film 359,
A metal oxide film 373 provided over the oxide semiconductor film 359, a gate insulating film 363 provided over the metal oxide film 373, and an oxide semiconductor film 359 provided over the gate insulating film 363. A gate electrode 365 and an insulating film 369 provided over the gate electrode 365.

つまり、トランジスタ160は、下地絶縁膜353と酸化物半導体膜359との間に金
属酸化物膜371が設けられ、酸化物半導体膜359とゲート絶縁膜363との間に金属
酸化物膜373が設けられている点において、先の実施の形態に示すトランジスタ120
と異なる。なお、トランジスタ160の他の構成については先の実施の形態に示すトラン
ジスタ120と同様である。つまり、基板351の詳細については基板51の記載を、下
地絶縁膜353の詳細については下地絶縁膜53の記載を、酸化物半導体膜359の詳細
については酸化物半導体膜59の記載を、ソース電極361aおよびドレイン電極361
bの詳細についてはソース電極61aおよびドレイン電極61bの記載を、ゲート絶縁膜
363の詳細についてはゲート絶縁膜63の記載を、ゲート電極365の詳細については
ゲート電極65の記載を参酌することができる。
That is, in the transistor 160, the metal oxide film 371 is provided between the base insulating film 353 and the oxide semiconductor film 359, and the metal oxide film 373 is provided between the oxide semiconductor film 359 and the gate insulating film 363. In that respect, the transistor 120 described in the above embodiment
And different. Note that the other structures of the transistor 160 are similar to those of the transistor 120 described in the above embodiment. That is, the description of the substrate 51 is described for details of the substrate 351, the description of the base insulating film 53 is described for details of the base insulating film 353, and the description of the oxide semiconductor film 59 is described for details of the oxide semiconductor film 359. 361a and drain electrode 361
The description of the source electrode 61a and the drain electrode 61b can be referred to for details of b, the description of the gate insulating film 63 can be referred to for details of the gate insulating film 363, and the description of the gate electrode 65 can be referred to for details of the gate electrode 365. .

金属酸化物膜371および金属酸化物膜373には、酸化物半導体膜359と同種の成
分でなる金属酸化物を用いるのが望ましい。ここで、「酸化物半導体膜と同種の成分」と
は、酸化物半導体膜の構成金属原子から選択される一または複数の原子を含むことを意味
する。特に、当該酸化物半導体膜359の結晶性を有する領域の結晶構造と同様の結晶構
造を取りうる構成原子とすることが好ましい。このように、酸化物半導体膜359と同種
の成分でなる金属酸化物を用いて金属酸化物膜371および金属酸化物膜373を形成し
、酸化物半導体膜359と同様に結晶性を有する領域を含むようにすることが好ましい。
当該結晶性を有する領域は、a−b面が膜表面に概略平行であり、c軸が膜表面に概略垂
直である結晶よりなることが好ましい。つまり、当該結晶性を有する領域は、c軸配向し
ていることが好ましい。また、当該結晶性を有する領域を膜表面に垂直な方向から観察す
ると、六角形の格子状に原子が配列される構造となることが好ましい。
As the metal oxide film 371 and the metal oxide film 373, a metal oxide including the same component as that of the oxide semiconductor film 359 is preferably used. Here, “the same kind of component as the oxide semiconductor film” means containing one or more atoms selected from the constituent metal atoms of the oxide semiconductor film. In particular, a constituent atom that can have a crystal structure similar to that of the crystalline region of the oxide semiconductor film 359 is preferable. In this manner, the metal oxide film 371 and the metal oxide film 373 are formed using a metal oxide having a component similar to that of the oxide semiconductor film 359, and a region having crystallinity is formed similarly to the oxide semiconductor film 359. It is preferable to include it.
The region having crystallinity is preferably made of a crystal whose ab plane is substantially parallel to the film surface and whose c-axis is substantially perpendicular to the film surface. In other words, the crystalline region is preferably c-axis oriented. Further, when the crystalline region is observed from a direction perpendicular to the film surface, it is preferable to have a structure in which atoms are arranged in a hexagonal lattice shape.

以上のような結晶性を有する領域を含む金属酸化物膜371を設けることによって、金
属酸化物膜371と酸化物半導体膜359との界面およびその近傍に、c軸の配向が連続
した結晶性を有する領域が形成されうる。これにより、金属酸化物膜371と酸化物半導
体膜359との界面およびその近傍において、酸素欠陥に代表されるような欠陥や、ダン
グリングボンドなどに結合する水素などの不純物が低減されうる。また、金属酸化物膜3
73と酸化物半導体膜359との界面およびその近傍についても同様に、c軸の配向が連
続した結晶性を有する領域が形成されうる。
By providing the metal oxide film 371 including a region having crystallinity as described above, crystallinity with continuous c-axis orientation can be obtained at and near the interface between the metal oxide film 371 and the oxide semiconductor film 359. A region having the same can be formed. Thus, impurities such as oxygen defects and hydrogen bonded to dangling bonds or the like can be reduced at the interface between the metal oxide film 371 and the oxide semiconductor film 359 and in the vicinity thereof. Further, the metal oxide film 3
Similarly, a region having crystallinity with continuous c-axis orientation can be formed at and near the interface between the oxide layer 73 and the oxide semiconductor film 359.

上述のように、これらの酸素欠陥に代表されるような欠陥や、ダングリングボンドなど
に結合する水素などは、キャリアの供給源のように機能するため、酸化物半導体膜の電気
伝導度が変動する原因となりうる。よって、酸化物半導体膜359は、金属酸化物膜37
1および金属酸化物膜373との界面とその近傍においてもこれらが低減されている。故
に酸化物半導体膜359は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光などの照射に対
してもより電気的に安定な構造を有する。このような酸化物半導体膜359、金属酸化物
膜371および金属酸化物膜373をトランジスタに用いることによって、安定した電気
的特性を有する、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
As described above, defects such as these oxygen defects and hydrogen bonded to dangling bonds function as a carrier supply source, and thus the electric conductivity of the oxide semiconductor film varies. Can be a cause. Therefore, the oxide semiconductor film 359 includes the metal oxide film 37.
1 and the metal oxide film 373 are reduced at the interface and in the vicinity thereof. Therefore, the oxide semiconductor film 359 has a stable electrical conductivity and a more electrically stable structure with respect to irradiation with visible light, ultraviolet light, or the like. By using such an oxide semiconductor film 359, a metal oxide film 371, and a metal oxide film 373 for a transistor, a highly reliable semiconductor device having stable electric characteristics can be provided.

金属酸化物膜371および金属酸化物膜373としては、例えば、酸化物半導体膜35
9にIn−Ga−Zn−O系の金属酸化物を用いる場合には、酸化ガリウムを含む金属酸
化物、特に、酸化ガリウムに酸化亜鉛を添加したGa−Zn−O系の金属酸化物などを用
いて形成すればよい。Ga−Zn−O系の金属酸化物は、酸化ガリウムに対する酸化亜鉛
の物質量が50%未満となるようにし、より好ましくは25%未満となるようにする。な
お、Ga−Zn−O系の金属酸化物とIn−Ga−Zn−O系の金属酸化物を接触させた
場合のエネルギー障壁は、伝導帯側で約0.5eVとし、価電子帯側で約0.7eVとす
ることができる。
As the metal oxide film 371 and the metal oxide film 373, for example, the oxide semiconductor film 35
9, when an In—Ga—Zn—O-based metal oxide is used, a metal oxide containing gallium oxide, in particular, a Ga—Zn—O-based metal oxide in which zinc oxide is added to gallium oxide is used. May be used. In the Ga—Zn—O-based metal oxide, the amount of zinc oxide with respect to gallium oxide is less than 50%, and more preferably less than 25%. Note that the energy barrier in the case where a Ga—Zn—O-based metal oxide and an In—Ga—Zn—O-based metal oxide are in contact with each other is approximately 0.5 eV on the conduction band side, and on the valence band side. It can be about 0.7 eV.

なお、酸化物半導体膜359を活性層として用いる関係上、金属酸化物膜371や金属
酸化物膜373のエネルギーギャップは、酸化物半導体膜359のエネルギーギャップよ
り大きいことが求められる。また、金属酸化物膜371と酸化物半導体膜359の間、ま
たは、金属酸化物膜373と酸化物半導体膜359の間には、少なくとも室温(20℃)
において、酸化物半導体膜359からキャリアが流出しない程度のエネルギー障壁の形成
が求められる。例えば、金属酸化物膜371や金属酸化物膜373の伝導帯の下端と、酸
化物半導体膜359の伝導帯の下端とのエネルギー差、あるいは、金属酸化物膜371や
金属酸化物膜373の価電子帯の上端と、酸化物半導体膜359の価電子帯の上端とのエ
ネルギー差は0.5eV以上であるのが望ましく、0.7eV以上であるとより望ましい
。また、1.5eV以下であると望ましい。
Note that the energy gap of the metal oxide film 371 and the metal oxide film 373 is required to be larger than that of the oxide semiconductor film 359 because the oxide semiconductor film 359 is used as an active layer. Further, at least room temperature (20 ° C.) between the metal oxide film 371 and the oxide semiconductor film 359 or between the metal oxide film 373 and the oxide semiconductor film 359.
Therefore, it is required to form an energy barrier that prevents carriers from flowing out of the oxide semiconductor film 359. For example, the energy difference between the lower end of the conduction band of the metal oxide film 371 or the metal oxide film 373 and the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor film 359 or the value of the metal oxide film 371 or the metal oxide film 373 The energy difference between the upper end of the electron band and the upper end of the valence band of the oxide semiconductor film 359 is preferably 0.5 eV or more, and more preferably 0.7 eV or more. Moreover, it is desirable that it is 1.5 eV or less.

また、金属酸化物膜371のエネルギーギャップは下地絶縁膜353のエネルギーギャ
ップより小さく、金属酸化物膜373のエネルギーギャップはゲート絶縁膜363のエネ
ルギーギャップより小さいことが好ましい。
The energy gap of the metal oxide film 371 is preferably smaller than the energy gap of the base insulating film 353, and the energy gap of the metal oxide film 373 is preferably smaller than the energy gap of the gate insulating film 363.

ここで、図12に、トランジスタ160、すなわち、ゲート電極365側からゲート絶
縁膜363、金属酸化物膜373、酸化物半導体膜359、金属酸化物膜371および下
地絶縁膜353を接合した構造、におけるエネルギーバンド図(模式図)を示す。図12
は、ゲート電極365側からゲート絶縁膜363、金属酸化物膜373、酸化物半導体膜
359、金属酸化物膜371および下地絶縁膜353のいずれもが真性であるという理想
的な状況を仮定し、ゲート絶縁膜363、下地絶縁膜353として酸化シリコン(バンド
ギャップEg8eV〜9eV)を、金属酸化物膜としてGa−Zn−O系の金属酸化物(
バンドギャップEg4.4eV)を、酸化物半導体膜としてIn−Ga−Zn−O系の金
属酸化物(バンドギャップEg3.2eV)を用いた場合について示している。なお、酸
化シリコンの真空準位と伝導帯下端のエネルギー差は0.95eVであり、Ga−Zn−
O系の金属酸化物の真空準位と伝導帯下端のエネルギー差は4.1eVであり、In−G
a−Zn−O系の金属酸化物の真空準位と伝導帯下端のエネルギー差は4.6eVである
Here, FIG. 12 illustrates a transistor 160, that is, a structure in which the gate insulating film 363, the metal oxide film 373, the oxide semiconductor film 359, the metal oxide film 371, and the base insulating film 353 are joined from the gate electrode 365 side. An energy band diagram (schematic diagram) is shown. FIG.
Assumes an ideal situation where the gate insulating film 363, the metal oxide film 373, the oxide semiconductor film 359, the metal oxide film 371, and the base insulating film 353 are all intrinsic from the gate electrode 365 side, Silicon oxide (band gap Eg8eV to 9eV) is used as the gate insulating film 363 and the base insulating film 353, and a Ga—Zn—O-based metal oxide (as a metal oxide film)
A band gap Eg of 4.4 eV) is shown in the case where an In—Ga—Zn—O-based metal oxide (band gap Eg of 3.2 eV) is used as the oxide semiconductor film. Note that the energy difference between the vacuum level of silicon oxide and the bottom of the conduction band is 0.95 eV, and Ga—Zn—
The energy difference between the vacuum level of the O-based metal oxide and the bottom of the conduction band is 4.1 eV, and In-G
The energy difference between the vacuum level of the a-Zn-O-based metal oxide and the bottom of the conduction band is 4.6 eV.

図12に示すように、酸化物半導体膜359のゲート電極側(チャネル側)には、酸化
物半導体膜359と金属酸化物膜373との界面に約0.5eVおよび約0.7eVのエ
ネルギー障壁が存在する。同様に、酸化物半導体膜359のバックチャネル側(ゲート電
極とは反対側)にも、酸化物半導体膜359と金属酸化物膜371との界面に約0.5e
Vおよび約0.7eVのエネルギー障壁が存在する。酸化物半導体と金属酸化物との界面
において、このようなエネルギー障壁が存在することにより、その界面においてキャリア
の移動は妨げられるため、キャリアは酸化物半導体膜359から金属酸化物膜371また
は金属酸化物膜373に移動することなく、酸化物半導体中を移動する。つまり、酸化物
半導体膜359を、酸化物半導体よりもバンドギャップが段階的に大きくなる材料(ここ
では、金属酸化物膜と絶縁膜)で挟むように設けることにより、キャリアは酸化物半導体
膜中を移動する。
As shown in FIG. 12, on the gate electrode side (channel side) of the oxide semiconductor film 359, energy barriers of about 0.5 eV and about 0.7 eV are formed at the interface between the oxide semiconductor film 359 and the metal oxide film 373. Exists. Similarly, on the back channel side (the side opposite to the gate electrode) of the oxide semiconductor film 359, the interface between the oxide semiconductor film 359 and the metal oxide film 371 has a thickness of about 0.5 e.
There are V and an energy barrier of about 0.7 eV. The existence of such an energy barrier at the interface between the oxide semiconductor and the metal oxide prevents the movement of carriers at the interface. Therefore, carriers are transferred from the oxide semiconductor film 359 to the metal oxide film 371 or the metal oxide film. It moves in the oxide semiconductor without moving to the physical film 373. In other words, the oxide semiconductor film 359 is provided so as to be sandwiched between materials whose band gaps are stepwise larger than that of an oxide semiconductor (here, a metal oxide film and an insulating film), so that carriers are contained in the oxide semiconductor film. To move.

金属酸化物膜371および金属酸化物膜373の作製方法に特に限定はない。例えば、
プラズマCVD法やスパッタリング法などの成膜方法を用いて金属酸化物膜371および
金属酸化物膜373を作製することができる。なお、水素や水などが混入しにくいという
点では、スパッタリング法などが適当である。一方で、膜の品質を高めるという点では、
プラズマCVD法などが適当である。また、金属酸化物膜371および金属酸化物膜37
3として、Ga−Zn−O系の金属酸化物膜を用いる場合、亜鉛を用いることにより当該
金属酸化物の導電率が向上しているので、DCスパッタリング法を用いて作製することが
できる。
There is no particular limitation on the method for forming the metal oxide film 371 and the metal oxide film 373. For example,
The metal oxide film 371 and the metal oxide film 373 can be formed using a film formation method such as a plasma CVD method or a sputtering method. Note that a sputtering method or the like is appropriate in that hydrogen or water is not easily mixed. On the other hand, in terms of improving film quality,
A plasma CVD method or the like is appropriate. Further, the metal oxide film 371 and the metal oxide film 37
When a Ga—Zn—O-based metal oxide film is used as 3, since the conductivity of the metal oxide is improved by using zinc, the metal oxide film can be manufactured using a DC sputtering method.

また、本発明に係る半導体装置は、図11(A)に示すトランジスタ160に限られる
ものではない。例えば、図11(B)に示すトランジスタ170のような構造としても良
い。トランジスタ170は、基板351上に設けられた下地絶縁膜353と、下地絶縁膜
353上に設けられた金属酸化物膜371と、金属酸化物膜371上に設けられた酸化物
半導体膜359と、酸化物半導体膜359の上面および側面と接するように設けられたソ
ース電極361aおよびドレイン電極361bと、酸化物半導体膜359上に設けられた
ゲート絶縁膜363と、酸化物半導体膜359と重畳してゲート絶縁膜363上に設けら
れたゲート電極365と、ゲート電極365上に設けられた絶縁膜369とを有する。つ
まり、トランジスタ170は、酸化物半導体膜359とゲート絶縁膜363との間に金属
酸化物膜373が設けられていない点において、トランジスタ160と異なる。
Further, the semiconductor device according to the present invention is not limited to the transistor 160 illustrated in FIG. For example, a structure like the transistor 170 illustrated in FIG. The transistor 170 includes a base insulating film 353 provided over the substrate 351, a metal oxide film 371 provided over the base insulating film 353, an oxide semiconductor film 359 provided over the metal oxide film 371, The source electrode 361 a and the drain electrode 361 b provided so as to be in contact with the top surface and the side surface of the oxide semiconductor film 359, the gate insulating film 363 provided over the oxide semiconductor film 359, and the oxide semiconductor film 359 overlap with each other. A gate electrode 365 provided over the gate insulating film 363 and an insulating film 369 provided over the gate electrode 365 are provided. That is, the transistor 170 is different from the transistor 160 in that the metal oxide film 373 is not provided between the oxide semiconductor film 359 and the gate insulating film 363.

また、図11(C)に示すトランジスタ180のような構造としても良い。トランジス
タ180は、基板351上に設けられた下地絶縁膜353と、下地絶縁膜353上に設け
られた酸化物半導体膜359と、酸化物半導体膜359の上面および側面と接するように
設けられたソース電極361aおよびドレイン電極361bと、酸化物半導体膜359上
に設けられた金属酸化物膜373と、金属酸化物膜373上に設けられたゲート絶縁膜3
63と、酸化物半導体膜359と重畳してゲート絶縁膜363上に設けられたゲート電極
365と、ゲート電極365上に設けられた絶縁膜369とを有する。つまり、トランジ
スタ180は、下地絶縁膜353と酸化物半導体膜359との間に金属酸化物膜371が
設けられていない点において、トランジスタ160と異なる。
Alternatively, a structure like the transistor 180 illustrated in FIG. The transistor 180 includes a base insulating film 353 provided over the substrate 351, an oxide semiconductor film 359 provided over the base insulating film 353, and a source provided in contact with the top surface and the side surface of the oxide semiconductor film 359. The electrode 361a and the drain electrode 361b, the metal oxide film 373 provided over the oxide semiconductor film 359, and the gate insulating film 3 provided over the metal oxide film 373
63, a gate electrode 365 provided over the gate insulating film 363 so as to overlap with the oxide semiconductor film 359, and an insulating film 369 provided over the gate electrode 365. That is, the transistor 180 is different from the transistor 160 in that the metal oxide film 371 is not provided between the base insulating film 353 and the oxide semiconductor film 359.

また、本実施の形態において、図11(A)乃至図11(C)で示したトランジスタは
、トップゲート構造とし、かつソース電極361aおよびドレイン電極361bが酸化物
半導体膜359の上面および側面と接するような構造としたが、本発明に係る半導体装置
はこれに限られるものではない。先の実施の形態において、図10(A)乃至図10(C
)で示したトランジスタと同様に、ボトムゲート構造としてもよいし、または酸化物半導
体膜359がソース電極361aおよびドレイン電極361bの上面および側面と接する
ように設けられる構造としてもよい。
In this embodiment, the transistor illustrated in FIGS. 11A to 11C has a top-gate structure, and the source electrode 361a and the drain electrode 361b are in contact with the top surface and the side surface of the oxide semiconductor film 359. However, the semiconductor device according to the present invention is not limited to this structure. In the above embodiment, FIG. 10A to FIG.
The transistor may have a bottom-gate structure or a structure in which the oxide semiconductor film 359 is provided so as to be in contact with the top surfaces and side surfaces of the source electrode 361a and the drain electrode 361b.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと
適宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態4)
本実施の形態では、同一基板上に少なくとも駆動回路の一部と、画素部に配置するトラ
ンジスタを作製する例について以下に説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example in which at least part of a driver circuit and a transistor placed in a pixel portion are formed over the same substrate will be described below.

画素部に配置するトランジスタは、実施の形態2または3に従って形成する。また、当
該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャネル型
トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板
上に形成する。このように、画素部や駆動回路に先の実施の形態に示すトランジスタを用
いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。
The transistor provided in the pixel portion is formed according to Embodiment Mode 2 or 3. In addition, since the transistor can easily be an n-channel transistor, a part of the driver circuit that can be formed using an n-channel transistor is formed over the same substrate as the transistor in the pixel portion. In this manner, by using the transistor described in any of the above embodiments for the pixel portion and the driver circuit, a highly reliable display device can be provided.

アクティブマトリクス型表示装置のブロック図の一例を図29(A)に示す。表示装置
の基板500上には、画素部501、第1の走査線駆動回路502、第2の走査線駆動回
路503、信号線駆動回路504を有する。画素部501には、複数の信号線が信号線駆
動回路504から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路502、及び
走査線駆動回路503から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域に
は、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基
板500はFPC(Flexible Printed Circuit)等の接続部を
介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともいう)に接続されている。
An example of a block diagram of an active matrix display device is illustrated in FIG. A pixel portion 501, a first scan line driver circuit 502, a second scan line driver circuit 503, and a signal line driver circuit 504 are provided over a substrate 500 of the display device. In the pixel portion 501, a plurality of signal lines are extended from the signal line driver circuit 504, and a plurality of scan lines are extended from the first scan line driver circuit 502 and the scan line driver circuit 503. Yes. Note that pixels each having a display element are provided in a matrix in the intersection region between the scan line and the signal line. In addition, the substrate 500 of the display device is connected to a timing control circuit (also referred to as a controller or a control IC) through a connection unit such as an FPC (Flexible Printed Circuit).

図29(A)では、第1の走査線駆動回路502、第2の走査線駆動回路503、信号
線駆動回路504は、画素部501と同じ基板500上に形成される。そのため、外部に
設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板
500外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増
える。同じ基板500上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことがで
き、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。
In FIG. 29A, the first scan line driver circuit 502, the second scan line driver circuit 503, and the signal line driver circuit 504 are formed over the same substrate 500 as the pixel portion 501. For this reason, the number of components such as a drive circuit provided outside is reduced, so that cost can be reduced. Further, when a drive circuit is provided outside the substrate 500, it is necessary to extend the wiring, and the number of connections between the wirings increases. In the case where a driver circuit is provided over the same substrate 500, the number of connections between the wirings can be reduced, and reliability or yield can be improved.

また、画素部の回路構成の一例を図29(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示パネ
ルの画素構造を示す。
An example of a circuit configuration of the pixel portion is shown in FIG. Here, a pixel structure of a VA liquid crystal display panel is shown.

この画素構造は、一つの画素に複数の画素電極層が有り、それぞれの画素電極層にトラ
ンジスタが接続されている。各トランジスタは、異なるゲート信号で駆動されるように構
成されている。すなわち、マルチドメイン設計された画素において、個々の画素電極層に
印加する信号を、独立して制御する構成を有している。
In this pixel structure, one pixel has a plurality of pixel electrode layers, and a transistor is connected to each pixel electrode layer. Each transistor is configured to be driven with a different gate signal. In other words, a multi-domain designed pixel has a configuration in which a signal applied to each pixel electrode layer is controlled independently.

トランジスタ516のゲート配線512と、トランジスタ517のゲート配線513に
は、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線とし
て機能するソース電極層又はドレイン電極層514は、トランジスタ516とトランジス
タ517で共通に用いられている。トランジスタ516とトランジスタ517は先の実施
の形態に示すトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表
示パネルを提供することができる。
The gate wiring 512 of the transistor 516 and the gate wiring 513 of the transistor 517 are separated so that different gate signals can be given. On the other hand, the source or drain electrode layer 514 functioning as a data line is used in common by the transistor 516 and the transistor 517. The transistor described in any of the above embodiments can be used as appropriate as the transistors 516 and 517. Thereby, a highly reliable liquid crystal display panel can be provided.

トランジスタ516と電気的に接続する第1の画素電極層と、トランジスタ517と電
気的に接続する第2の画素電極層の形状は異なっており、スリットによって分離されてい
る。V字型に広がる第1の画素電極層の外側を囲むように第2の画素電極層が形成されて
いる。第1の画素電極層と第2の画素電極層に印加する電圧のタイミングを、トランジス
タ516及びトランジスタ517により異ならせることで、液晶の配向を制御している。
トランジスタ516はゲート配線512と接続し、トランジスタ517はゲート配線51
3と接続している。ゲート配線512とゲート配線513は異なるゲート信号を与えるこ
とで、トランジスタ516とトランジスタ517の動作タイミングを異ならせることがで
きる。
The first pixel electrode layer that is electrically connected to the transistor 516 and the second pixel electrode layer that is electrically connected to the transistor 517 have different shapes and are separated by a slit. A second pixel electrode layer is formed so as to surround the outside of the first pixel electrode layer extending in a V shape. The timing of the voltage applied to the first pixel electrode layer and the second pixel electrode layer is made different between the transistor 516 and the transistor 517, thereby controlling the alignment of the liquid crystal.
The transistor 516 is connected to the gate wiring 512, and the transistor 517 is connected to the gate wiring 51.
3 is connected. By giving different gate signals to the gate wiring 512 and the gate wiring 513, operation timings of the transistor 516 and the transistor 517 can be made different.

また、容量配線510と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第1の画素電極層ま
たは第2の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成する。
In addition, a storage capacitor is formed by the capacitor wiring 510, the gate insulating film functioning as a dielectric, and the capacitor electrode electrically connected to the first pixel electrode layer or the second pixel electrode layer.

第1の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第1の液晶素子518が
形成されている。また、第2の画素電極層と液晶層と対向電極層が重なり合うことで、第
2の液晶素子519が形成されている。また、一画素に第1の液晶素子518と第2の液
晶素子519が設けられたマルチドメイン構造である。
The first liquid crystal element 518 is formed by overlapping the first pixel electrode layer, the liquid crystal layer, and the counter electrode layer. In addition, the second pixel electrode layer, the liquid crystal layer, and the counter electrode layer overlap with each other, so that a second liquid crystal element 519 is formed. In addition, the multi-domain structure in which the first liquid crystal element 518 and the second liquid crystal element 519 are provided in one pixel.

なお、図29(B)に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図29(B)に
示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路
などを追加してもよい。
Note that the pixel structure illustrated in FIG. 29B is not limited thereto. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a transistor, a sensor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel illustrated in FIG.

また、画素部の回路構成の一例を図29(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用い
た表示パネルの画素構造を示す。
An example of a circuit configuration of the pixel portion is shown in FIG. Here, a pixel structure of a display panel using an organic EL element is shown.

有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正
孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキ
ャリア(電子および正孔)が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形
成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このよ
うな発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
In the organic EL element, by applying a voltage to the light emitting element, electrons and holes are respectively injected from the pair of electrodes into the layer containing the light emitting organic compound, and a current flows. Then, these carriers (electrons and holes) recombine, whereby the light-emitting organic compound forms an excited state, and emits light when the excited state returns to the ground state. Due to such a mechanism, such a light-emitting element is referred to as a current-excitation light-emitting element.

図29(C)は、半導体装置の例としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の
一例を示す図である。
FIG. 29C illustrates an example of a pixel structure to which digital time grayscale driving can be applied as an example of a semiconductor device.

デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここ
では酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いるnチャネル型のトランジスタを1つの画
素に2つ用いる例を示す。
A structure and operation of a pixel to which digital time gray scale driving can be applied will be described. Here, an example is shown in which two n-channel transistors each using an oxide semiconductor layer for a channel formation region are used for one pixel.

画素520は、スイッチング用トランジスタ521、駆動用トランジスタ522、発光
素子524及び容量素子523を有している。スイッチング用トランジスタ521は、ゲ
ート電極層が走査線526に接続され、第1電極(ソース電極層及びドレイン電極層の一
方)が信号線525に接続され、第2電極(ソース電極層及びドレイン電極層の他方)が
駆動用トランジスタ522のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ522
は、ゲート電極層が容量素子523を介して電源線527に接続され、第1電極が電源線
527に接続され、第2電極が発光素子524の第1電極(画素電極)に接続されている
。発光素子524の第2電極は共通電極528に相当する。共通電極528は、同一基板
上に形成される共通電位線と電気的に接続される。
The pixel 520 includes a switching transistor 521, a driving transistor 522, a light-emitting element 524, and a capacitor 523. The switching transistor 521 has a gate electrode layer connected to the scanning line 526, a first electrode (one of the source electrode layer and the drain electrode layer) connected to the signal line 525, and a second electrode (the source electrode layer and the drain electrode layer). Is connected to the gate electrode layer of the driving transistor 522. Driving transistor 522
The gate electrode layer is connected to the power supply line 527 through the capacitor 523, the first electrode is connected to the power supply line 527, and the second electrode is connected to the first electrode (pixel electrode) of the light emitting element 524. . The second electrode of the light emitting element 524 corresponds to the common electrode 528. The common electrode 528 is electrically connected to a common potential line formed over the same substrate.

スイッチング用トランジスタ521および駆動用トランジスタ522は先の実施の形態
に示すトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機EL素子
を用いた表示パネルを提供することができる。
As the switching transistor 521 and the driving transistor 522, the transistor described in any of the above embodiments can be used as appropriate. Thereby, a display panel using a highly reliable organic EL element can be provided.

なお、発光素子524の第2電極(共通電極528)には低電源電位が設定されている
。なお、低電源電位とは、電源線527に設定される高電源電位を基準にして低電源電位
<高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばGND、0Vなどが設定さ
れていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子524に印加して、
発光素子524に電流を流して発光素子524を発光させるため、高電源電位と低電源電
位との電位差が発光素子524の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を
設定する。
Note that a low power supply potential is set for the second electrode (the common electrode 528) of the light-emitting element 524. Note that the low power supply potential is a potential that satisfies the low power supply potential <high power supply potential with reference to the high power supply potential set in the power supply line 527. For example, GND, 0V, or the like is set as the low power supply potential. Also good. A potential difference between the high power supply potential and the low power supply potential is applied to the light emitting element 524, and
In order to cause the light-emitting element 524 to emit light by passing a current through the light-emitting element 524, each potential is set so that the potential difference between the high power supply potential and the low power supply potential is equal to or higher than the forward threshold voltage of the light-emitting element 524.

なお、容量素子523は駆動用トランジスタ522のゲート容量を代用して省略するこ
とも可能である。駆動用トランジスタ522のゲート容量については、チャネル形成領域
とゲート電極層との間で容量が形成されていてもよい。
Note that the capacitor 523 can be omitted by using the gate capacitance of the driving transistor 522 instead. As for the gate capacitance of the driving transistor 522, a capacitance may be formed between the channel formation region and the gate electrode layer.

ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ522のゲート電極層
には、駆動用トランジスタ522が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるよ
うなビデオ信号を入力する。つまり、駆動用トランジスタ522は線形領域で動作させる
。駆動用トランジスタ522は線形領域で動作させるため、電源線527の電圧よりも高
い電圧を駆動用トランジスタ522のゲート電極層にかける。なお、信号線525には、
(電源線電圧+駆動用トランジスタ522のVth)以上の電圧をかける。
Here, in the case of the voltage input voltage driving method, a video signal is input to the gate electrode layer of the driving transistor 522 so that the driving transistor 522 is sufficiently turned on or off. To do. That is, the driving transistor 522 is operated in a linear region. Since the driving transistor 522 operates in a linear region, a voltage higher than the voltage of the power supply line 527 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 522. Note that the signal line 525 includes
A voltage equal to or higher than (power supply line voltage + Vth of the driving transistor 522) is applied.

また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異
ならせることで、図29(C)と同じ画素構成を用いることができる。
In the case of performing analog grayscale driving instead of digital time grayscale driving, the same pixel structure as that in FIG. 29C can be used by changing signal input.

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ522のゲート電極層に発光素子5
24の順方向電圧+駆動用トランジスタ522のVth以上の電圧をかける。発光素子5
24の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向し
きい値電圧を含む。なお、駆動用トランジスタ522が飽和領域で動作するようなビデオ
信号を入力することで、発光素子524に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ
522を飽和領域で動作させるため、電源線527の電位は、駆動用トランジスタ522
のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子524にビ
デオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
When analog gradation driving is performed, the light emitting element 5 is formed on the gate electrode layer of the driving transistor 522.
24 forward voltage + voltage equal to or higher than Vth of the driving transistor 522 is applied. Light emitting element 5
The 24 forward voltage refers to a voltage for obtaining a desired luminance, and includes at least a forward threshold voltage. Note that when a video signal that causes the driving transistor 522 to operate in a saturation region is input, a current can flow through the light-emitting element 524. In order to operate the driving transistor 522 in the saturation region, the potential of the power supply line 527 is set to be equal to that of the driving transistor 522.
Higher than the gate potential. By making the video signal analog, current corresponding to the video signal can be passed through the light-emitting element 524 to perform analog gradation driving.

なお、図29(C)に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図29(C)に
示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路な
どを追加してもよい。
Note that the pixel structure illustrated in FIG. 29C is not limited thereto. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a sensor, a transistor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel illustrated in FIG.

(実施の形態5)
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用するこ
とができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョ
ン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカ
メラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともい
う)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機な
どが挙げられる。上記実施の形態で説明した表示装置を具備する電子機器の例について説
明する。
(Embodiment 5)
The semiconductor device disclosed in this specification can be applied to a variety of electronic devices (including game machines). Examples of the electronic device include a television device (also referred to as a television or a television receiver), a monitor for a computer, a camera such as a digital camera or a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone (a mobile phone or a mobile phone). Large-sized game machines such as portable game machines, portable information terminals, sound reproduction apparatuses, and pachinko machines. Examples of electronic devices each including the display device described in the above embodiment will be described.

図30(A)は、携帯型の情報端末であり、本体1001、筐体1002、表示部10
03a、1003bなどによって構成されている。表示部1003bはタッチパネルとな
っており、表示部1003bに表示されるキーボードボタン1004を触れることで画面
操作や、文字入力を行うことができる。勿論、表示部1003aをタッチパネルとして構
成してもよい。先の実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素子として液晶パネ
ルや有機発光パネルを作製して表示部1003a、1003bに適用することにより、信
頼性の高い携帯型の情報端末とすることができる。
FIG. 30A illustrates a portable information terminal, which includes a main body 1001, a housing 1002, and a display portion 10.
03a, 1003b, and the like. The display portion 1003b is a touch panel, and screen operations and character input can be performed by touching a keyboard button 1004 displayed on the display portion 1003b. Of course, the display unit 1003a may be configured as a touch panel. By manufacturing a liquid crystal panel or an organic light-emitting panel using the transistor described in the above embodiment as a switching element and applying it to the display portions 1003a and 1003b, a highly reliable portable information terminal can be obtained.

図30(A)に示す携帯型の情報端末は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像な
ど)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に
表示した情報を操作又は編集する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理
を制御する機能、等を有することができる。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子
(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。
A portable information terminal illustrated in FIG. 30A has a function of displaying various information (still images, moving images, text images, and the like), a function of displaying a calendar, a date, a time, and the like on a display portion, and a display on the display portion. It is possible to have a function of operating or editing the processed information, a function of controlling processing by various software (programs), and the like. In addition, an external connection terminal (such as an earphone terminal or a USB terminal), a recording medium insertion portion, or the like may be provided on the rear surface or side surface of the housing.

また、図30(A)に示す携帯型の情報端末は、無線で情報を送受信できる構成として
もよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロー
ドする構成とすることも可能である。
The portable information terminal illustrated in FIG. 30A may be configured to be able to transmit and receive information wirelessly. It is also possible to adopt a configuration in which desired book data or the like is purchased and downloaded from an electronic book server wirelessly.

図30(B)は、携帯音楽プレイヤーであり、本体1021には表示部1023と、耳
に装着するための固定部1022と、スピーカ、操作ボタン1024、外部メモリスロッ
ト1025等が設けられている。先の実施の形態で示したトランジスタをスイッチング素
子として液晶パネルや有機発光パネルを作製して表示部1023に適用することにより、
より信頼性の高い携帯音楽プレイヤーとすることができる。
FIG. 30B shows a portable music player. A main body 1021 is provided with a display portion 1023, a fixing portion 1022 to be attached to the ear, a speaker, operation buttons 1024, an external memory slot 1025, and the like. By manufacturing a liquid crystal panel or an organic light-emitting panel using the transistor described in the above embodiment as a switching element and applying it to the display portion 1023,
It can be a more reliable portable music player.

さらに、図30(B)に示す携帯音楽プレイヤーにアンテナやマイク機能や無線機能を
持たせ、携帯電話と連携させれば、乗用車などを運転しながらワイヤレスによるハンズフ
リーでの会話も可能である。
Furthermore, if the portable music player shown in FIG. 30B has an antenna, a microphone function, and a wireless function and is linked to a mobile phone, a wireless hands-free conversation is possible while driving a passenger car or the like.

図30(C)は、携帯電話であり、筐体1030及び筐体1031の二つの筐体で構成
されている。筐体1031には、表示パネル1032、スピーカー1033、マイクロフ
ォン1034、ポインティングデバイス1036、カメラ用レンズ1037、外部接続端
子1038などを備えている。また、筐体1030には、携帯電話の充電を行う太陽電池
セル1040、外部メモリスロット1041などを備えている。また、アンテナは筐体1
031内部に内蔵されている。先の実施の形態で示したトランジスタを表示パネル103
2に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
FIG. 30C illustrates a mobile phone, which includes two housings, a housing 1030 and a housing 1031. The housing 1031 includes a display panel 1032, a speaker 1033, a microphone 1034, a pointing device 1036, a camera lens 1037, an external connection terminal 1038, and the like. The housing 1030 is provided with a solar battery cell 1040 for charging the mobile phone, an external memory slot 1041, and the like. The antenna is the housing 1
031 is built in. The transistor described in the above embodiment is used as the display panel 103.
By applying to 2, the mobile phone can be made highly reliable.

また、表示パネル1032はタッチパネルを備えており、図30(C)には映像表示さ
れている複数の操作キー1035を点線で示している。なお、太陽電池セル1040で出
力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
The display panel 1032 includes a touch panel. A plurality of operation keys 1035 displayed as images is illustrated by dashed lines in FIG. Note that a booster circuit for boosting the voltage output from the solar battery cell 1040 to a voltage required for each circuit is also mounted.

例えば、昇圧回路などの電源回路に用いられるパワートランジスタも先の実施の形態に
示したトランジスタの酸化物半導体膜の膜厚を2μm以上50μm以下とすることで形成
することができる。
For example, a power transistor used for a power supply circuit such as a booster circuit can also be formed by setting the thickness of the oxide semiconductor film of the transistor described in the above embodiment to 2 μm to 50 μm.

表示パネル1032は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネ
ル1032と同一面上にカメラ用レンズ1037を備えているため、テレビ電話が可能で
ある。スピーカー1033及びマイクロフォン1034は音声通話に限らず、テレビ電話
、録音、再生などが可能である。さらに、筐体1030と筐体1031は、スライドし、
図30(C)のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に
適した小型化が可能である。
In the display panel 1032, the display direction can be appropriately changed depending on a usage pattern. In addition, since the camera lens 1037 is provided on the same surface as the display panel 1032, a videophone can be used. The speaker 1033 and the microphone 1034 can be used for videophone calls, recording and playing sound, and the like as well as voice calls. Further, the housing 1030 and the housing 1031 slide,
As shown in FIG. 30C, the developed state can be changed to an overlapped state, and downsizing suitable for carrying is possible.

外部接続端子1038はACアダプタ及びUSBケーブルなどの各種ケーブルと接続可
能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外
部メモリスロット1041に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応で
きる。
The external connection terminal 1038 can be connected to an AC adapter and various types of cables such as a USB cable, and charging and data communication with a personal computer are possible. In addition, a recording medium can be inserted into the external memory slot 1041 so that a larger amount of data can be stored and moved.

また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであって
もよい。
In addition to the above functions, an infrared communication function, a television reception function, or the like may be provided.

図30(D)は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置1050は
、筐体1051に表示部1053が組み込まれている。表示部1053により、映像を表
示することが可能である。また、ここでは、CPUを内蔵したスタンド1055により筐
体1051を支持した構成を示している。先の実施の形態で示したトランジスタを表示部
1053に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置1050とすることがで
きる。
FIG. 30D illustrates an example of a television set. In the television device 1050, a display portion 1053 is incorporated in a housing 1051. An image can be displayed on the display portion 1053. Here, a configuration in which the housing 1051 is supported by a stand 1055 with a built-in CPU is shown. By applying the transistor described in the above embodiment to the display portion 1053, the television set 1050 with high reliability can be provided.

テレビジョン装置1050の操作は、筐体1051が備える操作スイッチや、別体のリ
モコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機か
ら出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
The television device 1050 can be operated with an operation switch provided in the housing 1051 or a separate remote controller. Further, the remote controller may be provided with a display unit that displays information output from the remote controller.

なお、テレビジョン装置1050は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機
により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線
による通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方
向(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である
Note that the television set 1050 is provided with a receiver, a modem, and the like. General TV broadcasts can be received by a receiver, and connected to a wired or wireless communication network via a modem, so that it can be unidirectional (sender to receiver) or bidirectional (sender and receiver). It is also possible to perform information communication between each other or between recipients).

また、テレビジョン装置1050は、外部接続端子1054や、記憶媒体再生録画部1
052、外部メモリスロットを備えている。外部接続端子1054は、USBケーブルな
どの各種ケーブルと接続可能であり、パーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能
である。記憶媒体再生録画部1052では、ディスク状の記録媒体を挿入し、記録媒体に
記憶されているデータの読み出し、記録媒体への書き込みが可能である。また、外部メモ
リスロットに差し込まれた外部メモリ1056にデータ保存されている画像や映像などを
表示部1053に映し出すことも可能である。
In addition, the television device 1050 includes an external connection terminal 1054 and a storage medium playback / recording unit 1.
052 has an external memory slot. The external connection terminal 1054 can be connected to various types of cables such as a USB cable, and data communication with a personal computer or the like is possible. The storage medium playback / recording unit 1052 can insert a disk-shaped recording medium, read data stored in the recording medium, and write data to the recording medium. In addition, an image, a video, or the like stored in the external memory 1056 inserted into the external memory slot can be displayed on the display portion 1053.

また、先の実施の形態で示した半導体装置を外部メモリ1056やCPUに適用するこ
とにより、消費電力が十分に低減された信頼性の高いテレビジョン装置1050とするこ
とができる。
In addition, by applying the semiconductor device described in the above embodiment to the external memory 1056 or the CPU, the highly reliable television device 1050 with sufficiently reduced power consumption can be provided.

本実施例においては、各種測定方法を用い、本発明に係る酸化物半導体膜または当該酸
化物半導体膜を用いた半導体装置について測定を行った結果について説明する。
In this example, the results of measurement of the oxide semiconductor film or the semiconductor device using the oxide semiconductor film according to the present invention using various measurement methods will be described.

<1.TEMを用いたTEM像の観察と電子線回折強度の測定、およびXRD測定>
本項目では、先の実施の形態に従って酸化物半導体膜を作製し、当該酸化物半導体膜を
透過型電子顕微鏡(TEM:transmission electron micro
scope)を用いて観察した結果について説明する。
<1. Observation of TEM image using TEM, measurement of electron beam diffraction intensity, and XRD measurement>
In this item, an oxide semiconductor film is manufactured according to the above embodiment, and the oxide semiconductor film is transmitted using a transmission electron microscope (TEM).
The results observed using (scope) will be described.

本項目では、スパッタリング法を用いて石英基板上に酸化物半導体膜を成膜し、サンプ
ルA、サンプルB、サンプルC、サンプルDおよびサンプルEを作製した。サンプルA、
サンプルB、サンプルC、サンプルDおよびサンプルEの成膜時の基板温度は、それぞれ
室温、200℃、250℃、300℃および400℃とした。つまり、サンプルAおよび
サンプルBは実施の形態2に示す成膜方法より成膜時の基板温度を低くし、サンプルC乃
至サンプルEは実施の形態2に示す成膜方法に記載された範囲の基板温度とした。酸化物
半導体膜の成膜ターゲットは、In:Ga:ZnO=1:1:2[mol数
比]の組成比を有するものを用いた。他の成膜条件は、成膜ガス流量をアルゴンガス30
sccmおよび酸素ガス15sccmとし、圧力0.4Pa、基板−ターゲット間距離6
0mm、高周波(RF)電源0.5kWとした。なお、サンプルA、サンプルBおよびサ
ンプルEは膜厚50nmを狙って成膜し、サンプルCおよびサンプルDは膜厚100nm
を狙って成膜した。
In this item, an oxide semiconductor film was formed over a quartz substrate by a sputtering method, and Sample A, Sample B, Sample C, Sample D, and Sample E were manufactured. Sample A,
The substrate temperatures during film formation of Sample B, Sample C, Sample D, and Sample E were room temperature, 200 ° C., 250 ° C., 300 ° C., and 400 ° C., respectively. That is, Sample A and Sample B have a lower substrate temperature at the time of film formation than the film formation method described in Embodiment 2, and Samples C to E are substrates in the range described in the film formation method described in Embodiment 2. It was temperature. As a deposition target of the oxide semiconductor film, a target having a composition ratio of In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio] was used. The other film forming conditions are as follows: the film forming gas flow rate is changed to argon gas 30.
sccm and oxygen gas 15 sccm, pressure 0.4 Pa, substrate-target distance 6
0 mm and a high frequency (RF) power supply of 0.5 kW were used. Sample A, Sample B, and Sample E were formed with a film thickness of 50 nm, and Sample C and Sample D were formed with a film thickness of 100 nm.
Aimed at film formation.

さらに酸化物半導体膜の成膜後、当該酸化物半導体膜を成膜した石英基板に加熱処理を
行った。加熱処理は、露点−24℃の乾燥雰囲気下において、加熱温度450℃、加熱時
間1時間で行った。このようにして、酸化物半導体膜を石英基板上に成膜した、サンプル
A、サンプルB、サンプルC、サンプルDおよびサンプルEを作製した。
Further, after the oxide semiconductor film was formed, the quartz substrate over which the oxide semiconductor film was formed was subjected to heat treatment. The heat treatment was performed in a dry atmosphere having a dew point of −24 ° C. with a heating temperature of 450 ° C. and a heating time of 1 hour. In this manner, Sample A, Sample B, Sample C, Sample D, and Sample E in which an oxide semiconductor film was formed over a quartz substrate were manufactured.

また、サンプルA乃至サンプルEとは異なり、実施の形態2に示す2step法を用い
て酸化物半導体膜を成膜したサンプルFを作製した。サンプルFは、まず膜厚5nmの第
1の酸化物半導体膜を成膜し、第1の酸化物半導体膜に第1の加熱処理を行い、第1の酸
化物半導体膜上に膜厚30nmの第2の酸化物半導体膜を成膜し、第1の酸化物半導体膜
と第2の酸化物半導体膜に第2の加熱処理を行って作製した。
Further, unlike Sample A to Sample E, Sample F in which an oxide semiconductor film was formed using the 2 step method described in Embodiment 2 was manufactured. In Sample F, a first oxide semiconductor film with a thickness of 5 nm is first formed, the first oxide semiconductor film is subjected to first heat treatment, and a 30 nm-thickness is formed over the first oxide semiconductor film. A second oxide semiconductor film was formed, and the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film were subjected to second heat treatment.

ここで、第1の酸化物半導体膜の成膜ターゲットは、In:Ga:ZnO
=1:1:2[mol数比]の組成比を有するものを用いた。他の成膜条件は、成膜ガス
流量をアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス15sccmとし、圧力0.4Pa、基
板−ターゲット間距離60mm、高周波(RF)電源0.5kWとした。また、第1の加
熱処理の条件は、窒素雰囲気下、加熱温度650℃、加熱時間1時間とした。
Here, the deposition target of the first oxide semiconductor film is In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO.
= 1: 1: 2 [molar ratio] The composition ratio was used. Other film forming conditions were such that the film forming gas flow rate was 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas, the pressure was 0.4 Pa, the distance between the substrate and the target was 60 mm, and the radio frequency (RF) power source was 0.5 kW. The first heat treatment was performed under a nitrogen atmosphere with a heating temperature of 650 ° C. and a heating time of 1 hour.

また、第2の酸化物半導体膜の成膜ターゲットは、In:Ga:ZnO=
1:1:2[mol数比]の組成比を有するものを用いた。他の成膜条件は、成膜ガス流
量をアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス15sccmとし、圧力0.4Pa、基板
−ターゲット間距離60mm、高周波(RF)電源0.5kWとした。また、第2の加熱
処理の条件は、露点−24℃の乾燥雰囲気下で、加熱温度650℃、加熱時間1時間とし
た。
The deposition target of the second oxide semiconductor film is In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO =
The one having a composition ratio of 1: 1: 2 [molar ratio] was used. Other film forming conditions were such that the film forming gas flow rate was 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas, the pressure was 0.4 Pa, the distance between the substrate and the target was 60 mm, and the radio frequency (RF) power source was 0.5 kW. The second heat treatment was performed under a dry atmosphere with a dew point of −24 ° C., a heating temperature of 650 ° C., and a heating time of 1 hour.

このようにして、2step法を用いて酸化物半導体膜を石英基板上に成膜した、サン
プルFを作製した。
In this manner, Sample F in which an oxide semiconductor film was formed over a quartz substrate by using the 2step method was manufactured.

また、サンプルA乃至サンプルFの比較対象として、イットリア安定化ジルコニア(Y
SZ)基板上にIGZOの単結晶膜を膜厚150nmで成膜した、サンプルGを作製した
In addition, as a comparison target of Sample A to Sample F, yttria stabilized zirconia (Y
SZ) A sample G in which a single crystal film of IGZO was formed to a thickness of 150 nm on a substrate was prepared.

以上のサンプルA乃至サンプルGについて、TEMを用いて酸化物半導体膜が成膜され
た基板に対して垂直に、つまり、先の実施の形態におけるc軸方向に平行に電子線を照射
してTEM像および電子線回折パターンの撮影を行った。図13(A)乃至図13(E)
にサンプルA乃至サンプルEの断面TEM像を、それぞれ示す。ここで、図13に示す断
面TEM像は、紙面の上側がサンプルの表面方向となるので、紙面の縦方向がc軸方向と
なる。また、図14(A)乃至図14(E)にサンプルA乃至サンプルEの平面TEM像
を、それぞれ示す。ここで、図14に示す平面TEM像は、紙面の表側がサンプルの表面
方向となるので、紙面の垂直な方向がc軸方向となる。また、図15(A)乃至図15(
E)にサンプルA乃至サンプルEの電子線回折パターンを、それぞれ示す。ここで、図1
5に示す電子線回折パターンは、紙面の表側がサンプルの表面方向となるので、紙面の垂
直な方向がc軸方向となる。また、図16(A)および図16(B)にサンプルFおよび
サンプルGの平面TEM像を、それぞれ示す。図16(C)にサンプルFの電子線回折パ
ターンを示す。図16(D)および図16(E)にサンプルGの電子線回折パターンを示
す。ここで、図16に示す平面TEM像および電子線回折パターンは、紙面の表側がサン
プルの表面方向となるので、紙面の垂直な方向がc軸方向となる。
With respect to the above samples A to G, the electron beam is irradiated perpendicularly to the substrate on which the oxide semiconductor film is formed using TEM, that is, parallel to the c-axis direction in the previous embodiment, and the TEM is irradiated. Images and electron diffraction patterns were taken. 13A to 13E
Shows cross-sectional TEM images of Sample A to Sample E, respectively. Here, in the cross-sectional TEM image shown in FIG. 13, since the upper side of the paper surface is the surface direction of the sample, the vertical direction of the paper surface is the c-axis direction. 14A to 14E show planar TEM images of Sample A to Sample E, respectively. Here, in the planar TEM image shown in FIG. 14, since the front side of the paper surface is the surface direction of the sample, the direction perpendicular to the paper surface is the c-axis direction. 15A to 15 (
E) shows electron diffraction patterns of Sample A to Sample E, respectively. Here, FIG.
In the electron diffraction pattern shown in FIG. 5, since the front side of the paper surface is the surface direction of the sample, the direction perpendicular to the paper surface is the c-axis direction. FIGS. 16A and 16B show planar TEM images of Sample F and Sample G, respectively. FIG. 16C shows an electron diffraction pattern of Sample F. 16D and 16E show the electron diffraction patterns of Sample G. FIG. Here, in the planar TEM image and the electron beam diffraction pattern shown in FIG. 16, the front side of the paper surface is the surface direction of the sample, so the direction perpendicular to the paper surface is the c-axis direction.

なお、本項目において、断面TEM像、平面TEM像および電子線回折パターンは、株
式会社日立ハイテクノロジーズ製H−9000NARを用い、電子ビームのスポット径を
1nmとし、加速電圧を300kVとして撮影した。
In this item, the cross-sectional TEM image, planar TEM image, and electron beam diffraction pattern were taken using H-9000NAR manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, the electron beam spot diameter was 1 nm, and the acceleration voltage was 300 kV.

図13(C)乃至図13(E)に示す断面TEM像では、c軸が配向した結晶性を有す
る領域が観察されたが、図13(A)および図13(B)に示す断面TEM像おいては、
c軸が配向した結晶性を有する領域が明瞭には観察されなかった。よって、酸化物半導体
膜の成膜時基板温度を200℃より大きく、好ましくは250℃以上にすることで、c軸
が配向した結晶性を有する領域が酸化物半導体膜中に形成されることが分かる。また、図
13(C)乃至図13(E)の順番にc軸が配向した結晶性を有する領域が明瞭に見られ
るので、酸化物半導体膜の成膜時基板温度が高くなるほど、酸化物半導体膜の結晶性が高
くなることが推測される。
In the cross-sectional TEM images shown in FIGS. 13C to 13E, a region having crystallinity with the c-axis aligned was observed, but the cross-sectional TEM images shown in FIGS. 13A and 13B were used. In
A region having crystallinity in which the c-axis was oriented was not clearly observed. Therefore, when the oxide semiconductor film is formed at a substrate temperature higher than 200 ° C., preferably 250 ° C. or higher, a crystalline region with the c-axis aligned may be formed in the oxide semiconductor film. I understand. In addition, since a crystalline region in which the c-axis is aligned in the order of FIGS. 13C to 13E is clearly seen, the higher the substrate temperature during the formation of the oxide semiconductor film, the higher the oxide semiconductor It is estimated that the crystallinity of the film is increased.

図14(E)に示す平面TEM像では、六角形の格子状に配置された原子が観察された
。また、図14(C)および図14(D)に示す平面TEM像においても、六角形の格子
状に配置された原子が淡く観察された。図14(A)および図14(B)に示す平面TE
M像においては、六角形の格子状に配置された原子が明瞭には観察されなかった。また、
図16(A)および図16(B)に示す平面TEM像でも、六角形の格子状に配置された
原子が観察された。このことから、酸化物半導体膜のc軸が配向した結晶性を有する領域
は、図2に示すような、三回対称性を有する六方晶構造を取りやすいことが推測される。
また、2step法を用いて作製されたサンプルFもサンプルC乃至サンプルEと同様に
結晶性を有する領域が酸化物半導体膜中に形成されていることが分かった。また、図13
の断面TEM像の観察結果と同様に、酸化物半導体膜の成膜時基板温度が高くなるほど、
酸化物半導体膜の結晶性が高くなることが推測される。以上の図13および図14の観察
から、サンプルAおよびサンプルBはほとんど結晶性を持たないアモルファス構造の酸化
物半導体膜であり、サンプルC乃至サンプルFはc軸が配向した結晶性を有する領域を含
む酸化物半導体膜であることが分かる。
In the planar TEM image shown in FIG. 14E, atoms arranged in a hexagonal lattice pattern were observed. Also, in the planar TEM images shown in FIGS. 14C and 14D, atoms arranged in a hexagonal lattice pattern were observed to be light. Plane TE shown in FIGS. 14 (A) and 14 (B)
In the M image, atoms arranged in a hexagonal lattice pattern were not clearly observed. Also,
In the planar TEM images shown in FIGS. 16A and 16B, atoms arranged in a hexagonal lattice shape were observed. From this, it can be inferred that the crystalline region in which the c-axis of the oxide semiconductor film is oriented is likely to have a hexagonal crystal structure having three-fold symmetry as shown in FIG.
Further, it was found that also in Sample F manufactured using the 2step method, a region having crystallinity was formed in the oxide semiconductor film as in Samples C to E. Further, FIG.
As in the observation result of the cross-sectional TEM image, the higher the substrate temperature during the formation of the oxide semiconductor film,
It is estimated that the crystallinity of the oxide semiconductor film is increased. From the above observations of FIGS. 13 and 14, Sample A and Sample B are oxide semiconductor films having an amorphous structure having almost no crystallinity, and Samples C to F have crystallinity regions in which the c-axis is oriented. It can be seen that the oxide semiconductor film contains the oxide semiconductor film.

図15(A)乃至図15(E)に示す電子線回折パターンは、回折パターンの幅が広く
ぼやけている同心円状のハローパターンとなっており、内側のハローパターンより外側の
ハローパターンの方が電子線回折強度が弱くなっている。さらに、図15(A)乃至図1
5(E)の順番に外側のハローパターンの電子線回折強度が強くなっている傾向が観測さ
れる。また、図16(C)に示す電子線回折パターンも同心円状のハローパターンとなる
が、図15(A)乃至図15(E)と比較すると、ハローパターンの幅が細く、内側のハ
ローパターンと外側のハローパターンの電子線回折強度がほぼ同等になっている。
The electron diffraction patterns shown in FIGS. 15A to 15E are concentric halo patterns in which the width of the diffraction pattern is widely blurred, and the outer halo pattern is more than the inner halo pattern. The electron diffraction intensity is weak. Further, FIG. 15A to FIG.
A tendency that the electron diffraction intensity of the outer halo pattern increases in the order of 5 (E) is observed. Further, the electron diffraction pattern shown in FIG. 16C is also a concentric halo pattern. Compared with FIGS. 15A to 15E, the width of the halo pattern is narrower, and the inner halo pattern The electron beam diffraction intensities of the outer halo patterns are almost equal.

また、図16(D)に示す電子線回折パターンは、図15(A)乃至図15(E)およ
び図16(C)とは異なり、スポット状の電子線回折パターンが現れる。図16(D)に
示す電子線回折パターンに画像処理を行い、同心円状のパターンにしたものが図16(E
)であるが、図15(A)乃至図15(E)および図16(C)とは異なり、同心円のパ
ターンの幅が狭いのでハロー状にはならない。また、内側の同心円状のパターンより外側
の同心円状のパターンの方が電子線回折強度が強くなっている点においても、図15(A
)乃至図15(E)および図16(C)に示す電子線回折パターンとは異なる。
In addition, the electron diffraction pattern shown in FIG. 16D is different from FIGS. 15A to 15E and 16C, and a spot-like electron diffraction pattern appears. Image processing is performed on the electron beam diffraction pattern shown in FIG. 16D to form a concentric pattern.
However, unlike FIGS. 15 (A) to 15 (E) and FIG. 16 (C), the width of the concentric pattern is narrow, so it does not become a halo shape. Further, the electron beam diffraction intensity is stronger in the outer concentric pattern than in the inner concentric pattern as shown in FIG.
) To FIG. 15 (E) and FIG. 16 (C) are different from the electron diffraction patterns.

図17にサンプルA乃至サンプルGの電子線回折強度のグラフを示す。図17に示すグ
ラフは、縦軸に電子線回折強度(任意単位)をとり、横軸にサンプルの散乱ベクトルの大
きさ(1/d[1/nm])をとる。なお、散乱ベクトルの大きさ(1/d[1/nm]
)のdは結晶中においては結晶の面間隔に相当する。ここで散乱ベクトルの大きさ(1/
d)は、電子線回折パターンのフィルムにおける、中心の透過波の斑点から回折波の同心
円状のパターンまでの距離rと、TEMにおけるサンプルとフィルム間の距離であるカメ
ラ長Lと、TEMで照射した電子線の波長λを用いて以下の式で表すことができる。
FIG. 17 shows a graph of electron diffraction intensity of Sample A to Sample G. In the graph shown in FIG. 17, the vertical axis represents the electron beam diffraction intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis represents the size of the scattering vector of the sample (1 / d [1 / nm]). The size of the scattering vector (1 / d [1 / nm]
D) corresponds to the crystal spacing in the crystal. Here, the size of the scattering vector (1 /
d) is the distance r from the central transmitted wave spot to the concentric pattern of the diffracted wave in the electron diffraction pattern film, the camera length L which is the distance between the sample and the film in the TEM, and irradiation with the TEM. It can be expressed by the following formula using the wavelength λ of the electron beam.

つまり、図17の横軸に示す散乱ベクトルの大きさ(1/d)は、図15(A)乃至図
15(E)、図16(C)および図16(E)に示す電子線回折パターンにおける、中心
の透過波の斑点から回折波の同心円状のパターンまでの距離rに比例する量である。
That is, the magnitude (1 / d) of the scattering vector shown on the horizontal axis in FIG. 17 is the electron diffraction pattern shown in FIGS. 15 (A) to 15 (E), 16 (C), and 16 (E). Is an amount proportional to the distance r from the center transmitted wave spot to the concentric pattern of the diffracted wave.

つまり、図17に示すグラフにおいて、図15(A)乃至図15(E)、図16(C)
および図16(E)に示す電子線回折パターンにおける内側のハローパターンに対応する
ピークは、3.3nm−1≦1/d≦4.1nm−1における第1ピークであり、外側の
ハローパターンに対応するピークは、5.5nm−1≦1/d≦7.1nm−1における
第2ピークである。
That is, in the graph shown in FIG. 17, FIGS. 15 (A) to 15 (E) and FIG. 16 (C).
And peaks corresponding to the inside of the halo pattern in electron diffraction pattern shown in Fig. 16 (E) is a first peak at 3.3nm -1 ≦ 1 / d ≦ 4.1nm -1, on the outside of the halo pattern corresponding peak is a second peak at 5.5nm -1 ≦ 1 / d ≦ 7.1nm -1.

図18および図19にサンプルA乃至サンプルGの第1ピークおよび第2ピークの半値
全幅のグラフを示す。図18に示すグラフは、縦軸に第1ピークの半値全幅FWHM(n
−1)をとり、横軸にサンプルA乃至サンプルEの成膜時基板温度(℃)をとっている
。また、図18のグラフ中の点線はそれぞれ、サンプルFおよびサンプルGの第1ピーク
の半値全幅の値を示している。図19に示すグラフも、図18と同様に第2ピークの半値
全幅を表している。また、図18および図19に示す第1ピークおよび第2ピークのピー
ク位置(nm−1)と半値全幅(nm−1)をまとめた表を表1に示す。
18 and 19 show graphs of the full width at half maximum of the first peak and the second peak of samples A to G, respectively. In the graph shown in FIG. 18, the full width at half maximum FWHM (n
m −1 ), and the horizontal axis represents the substrate temperature (° C.) during film formation of Sample A to Sample E. Also, the dotted lines in the graph of FIG. 18 indicate the full width at half maximum of the first peak of sample F and sample G, respectively. The graph shown in FIG. 19 also represents the full width at half maximum of the second peak as in FIG. Table 1 summarizes the peak positions (nm −1 ) and full widths at half maximum (nm −1 ) of the first peak and the second peak shown in FIGS. 18 and 19.

図18および図19より、第1ピーク、第2ピーク共に、酸化物半導体膜の成膜時基板
温度が高くなるにつれて、ピークの半値全幅が小さくなり、ピーク位置が小さくなる傾向
が示された。また、第1ピーク、第2ピーク共に、成膜時基板温度が300℃から400
℃にかけてはピークの半値全幅が大きく変わらないことが示された。さらに、第1ピーク
、第2ピーク共に、2step法を用いて形成されたサンプルFの半値全幅およびピーク
位置は、サンプルA乃至サンプルEの半値全幅およびピーク位置より小さく、単結晶であ
るサンプルGの半値全幅およびピーク位置より大きかった。
18 and 19 show that the full width at half maximum of the peak decreases and the peak position tends to decrease as the substrate temperature during the formation of the oxide semiconductor film increases in both the first peak and the second peak. In addition, the substrate temperature during film formation is 300 ° C. to 400 ° C. for both the first peak and the second peak.
It was shown that the full width at half maximum of the peak did not change greatly over time. Furthermore, the full width at half maximum and the peak position of sample F formed by using the two-step method for both the first peak and the second peak are smaller than the full width at half maximum and the peak position of sample A to sample E, and the sample G is a single crystal. It was larger than the full width at half maximum and the peak position.

c軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、単結晶構造であるサンプ
ルGとは結晶性が異なるので、c軸方向から電子線を照射した電子線回折強度測定におい
て、第1ピークおよび第2ピークにおける半値全幅が0.2nm−1以上であり、好まし
くは第1ピークの半値全幅が0.4nm−1以上、第2ピークの半値全幅が0.45nm
−1以上であると言える。
An oxide semiconductor film including a crystalline region in which the c-axis is aligned has a different crystallinity from that of the sample G having a single crystal structure. Therefore, in an electron beam diffraction intensity measurement in which an electron beam is irradiated from the c-axis direction, The full width at half maximum of the first peak and the second peak is 0.2 nm −1 or more, preferably the full width at half maximum of the first peak is 0.4 nm −1 or more, and the full width at half maximum of the second peak is 0.45 nm.
It can be said that it is -1 or more.

さらに、図13および図14から、サンプルAおよびサンプルB、つまり成膜時基板温
度が200℃以下の酸化物半導体膜は明瞭な結晶性が見られなかったことを考慮すると、
c軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、c軸方向から電子線を照射
した電子線回折強度測定において、第1ピークの半値全幅が0.7nm−1以下、第2ピ
ークの半値全幅が1.4nm−1以下であることが好ましいと言える。
Further, from FIGS. 13 and 14, considering that Sample A and Sample B, that is, the oxide semiconductor film having a substrate temperature of 200 ° C. or lower during the film formation did not show clear crystallinity,
The oxide semiconductor film including a crystalline region in which the c-axis is aligned has a full width at half maximum of the first peak of 0.7 nm −1 or less in an electron beam diffraction intensity measurement in which an electron beam is irradiated from the c-axis direction. It can be said that the full width at half maximum of the peak is preferably 1.4 nm −1 or less.

また、サンプルA、サンプルEおよびサンプルGについてさらにX線回折(XRD:X
−ray diffraction)測定を行い、上記のTEMによる測定結果を補強す
る測定結果が得られた。
In addition, X-ray diffraction (XRD: X
-Ray diffraction) measurement was performed, and a measurement result that reinforces the measurement result by the TEM was obtained.

図20にサンプルAおよびサンプルEについて、out−of−plane法を用いて
XRDスペクトルを測定した結果を示す。図20は、縦軸にx線回折強度(任意単位)を
とり、横軸に回転角2θ(deg.)をとる。
FIG. 20 shows the results of measuring the XRD spectrum of Sample A and Sample E using the out-of-plane method. In FIG. 20, the vertical axis represents the x-ray diffraction intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis represents the rotation angle 2θ (deg.).

図20より、サンプルEでは2θ=30°近傍に強いピークが見られるのに対して、サ
ンプルAでは2θ=30°近傍にほとんどピークが見られないことが分かる。当該ピーク
はIGZO結晶の(009)面における回折に起因するものである。このことからも、サ
ンプルEはc軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜であり、アモルファ
ス構造であるサンプルAとは明確に異なることが分かる。
From FIG. 20, it can be seen that sample E shows a strong peak in the vicinity of 2θ = 30 °, whereas sample A shows almost no peak in the vicinity of 2θ = 30 °. This peak is attributed to diffraction in the (009) plane of the IGZO crystal. This also indicates that sample E is an oxide semiconductor film including a crystalline region in which the c-axis is oriented, and is clearly different from sample A having an amorphous structure.

また、図21(A)にサンプルEについてin−plane法を用いてXRDスペクト
ルを測定した結果を示す。同様に図21(B)にサンプルGについてin−plane法
を用いてXRDスペクトルを測定した結果を示す。図21(A)および図21(B)は、
縦軸にx線回折強度(任意単位)をとり、横軸に回転角φ(deg.)をとる。なお、本
実施例で用いたin−plane法においては、サンプルのc軸方向を回転の軸としてサ
ンプルを回転角φで回転させながらXRD測定を行った。
FIG. 21A shows the result of measuring the XRD spectrum of the sample E using the in-plane method. Similarly, FIG. 21B shows the result of measuring the XRD spectrum of the sample G using the in-plane method. FIG. 21A and FIG.
The vertical axis represents the x-ray diffraction intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis represents the rotation angle φ (deg.). In the in-plane method used in this example, XRD measurement was performed while rotating the sample at the rotation angle φ with the c-axis direction of the sample as the axis of rotation.

図21(B)に示すサンプルGのXRDスペクトルは、ちょうど回転角60°ごとに等
間隔のピークが現れており、サンプルGが6回対称性を有する単結晶膜であることを示し
ている。それに対して、図21(A)に示すサンプルEのXRDスペクトルは規則正しい
ピークを持っておらず、結晶性を有する領域のa−b面方向の配向は見られないことが分
かる。すなわち、サンプルEは、個々の結晶性を有する領域において、c軸に対して結晶
化しているが、a−b面に対しては必ずしも配列していない。このことからも、サンプル
Eはc軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜であるが、単結晶構造であ
るサンプルGとは明確に異なることが分かる。
The XRD spectrum of sample G shown in FIG. 21B shows equidistant peaks at every rotation angle of 60 °, indicating that sample G is a single crystal film having 6-fold symmetry. On the other hand, the XRD spectrum of Sample E shown in FIG. 21A does not have a regular peak, and it can be seen that no orientation in the ab plane direction of the crystalline region is observed. That is, the sample E is crystallized with respect to the c-axis in the region having individual crystallinity, but is not necessarily arranged with respect to the ab plane. This also indicates that sample E is an oxide semiconductor film including a crystalline region with the c-axis oriented, but is clearly different from sample G having a single crystal structure.

以上より、本発明に係る、c軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は
、アモルファス構造の酸化物半導体膜とも、単結晶構造の酸化物半導体膜とも明確に異な
る結晶性を有すると言うことができる。
As described above, the oxide semiconductor film including a crystalline region with c-axis alignment according to the present invention has crystallinity clearly different from that of an amorphous oxide semiconductor film and a single crystal oxide semiconductor film. You can say that you have.

以上に示すようなc軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜は、全体が
非晶質構造の酸化物半導体膜と比較して良好な結晶性を有するので、酸素欠陥に代表され
るような欠陥や、ダングリングボンドなどに結合する水素などの不純物が低減されている
。これらの酸素欠陥に代表されるような欠陥や、ダングリングボンドなどに結合する水素
などは、酸化物半導体膜中でキャリアの供給源のように機能するため、当該酸化物半導体
膜の電気伝導度が変動する原因となりうる。よって、これらが低減されている、結晶性を
有する領域を含む酸化物半導体膜は、電気伝導度が安定しており、可視光や紫外光などの
照射に対してもより電気的に安定な構造を有する。このような結晶性を有する領域を含む
酸化物半導体膜をトランジスタに用いることによって、安定した電気的特性を有する、信
頼性の高い半導体装置を提供することができる。
An oxide semiconductor film including a crystalline region in which the c-axis is aligned as described above has excellent crystallinity as compared with an oxide semiconductor film having an amorphous structure, and thus is typically represented by an oxygen defect. Impurities such as hydrogen bonded to dangling bonds and the like are reduced. Defects typified by these oxygen defects, hydrogen bonded to dangling bonds, and the like function as a carrier supply source in the oxide semiconductor film; thus, the electric conductivity of the oxide semiconductor film May cause fluctuations. Therefore, an oxide semiconductor film including a crystalline region in which these are reduced has a stable electric conductivity and a structure that is more electrically stable to irradiation with visible light, ultraviolet light, or the like. Have By using an oxide semiconductor film including such a region having crystallinity for a transistor, a highly reliable semiconductor device having stable electrical characteristics can be provided.

<2.ESR測定>
本項目では、先の実施の形態に従って酸化物半導体膜を作製し、当該酸化物半導体膜を
電子スピン共鳴(ESR:Electron Spin Resonance)法を用い
て評価した結果について説明する。
<2. ESR measurement>
In this item, an oxide semiconductor film is manufactured according to the above embodiment, and a result of evaluating the oxide semiconductor film using an electron spin resonance (ESR) method is described.

本項目では、スパッタリング法を用いて石英基板上に酸化物半導体膜を成膜したサンプ
ルHと、さらに、当該酸化物半導体膜を成膜した石英基板に加熱処理を行ったサンプルI
を作製した。酸化物半導体膜の成膜ターゲットは、In:Ga:ZnO=1
:1:2[mol数比]の組成比を有するものを用いた。他の成膜条件は、成膜ガス流量
をアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス15sccmとし、成膜時基板温度400℃
、圧力0.4Pa、基板−ターゲット間距離60mm、高周波(RF)電源0.5kW、
膜厚100nmとした。
In this item, Sample H in which an oxide semiconductor film is formed over a quartz substrate by a sputtering method, and Sample I in which the quartz substrate on which the oxide semiconductor film is formed is further subjected to heat treatment.
Was made. The deposition target of the oxide semiconductor film is In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1
The one having a composition ratio of 1: 2 [molar ratio] was used. The other film forming conditions are: the film forming gas flow rate is 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas, and the substrate temperature during film forming is 400 ° C.
, Pressure 0.4 Pa, substrate-target distance 60 mm, high frequency (RF) power supply 0.5 kW,
The film thickness was 100 nm.

サンプルIについては、さらに酸化物半導体膜の成膜後、当該酸化物半導体膜を成膜し
た石英基板に加熱処理を行った。加熱処理は、露点−24℃の乾燥雰囲気下において、加
熱温度450℃、加熱時間1時間で行った。このようにして、酸化物半導体膜を石英基板
上に成膜した、サンプルHおよびサンプルIを作製した。
For Sample I, after the oxide semiconductor film was further formed, heat treatment was performed on the quartz substrate over which the oxide semiconductor film was formed. The heat treatment was performed in a dry atmosphere having a dew point of −24 ° C. with a heating temperature of 450 ° C. and a heating time of 1 hour. In this manner, Sample H and Sample I in which an oxide semiconductor film was formed over a quartz substrate were manufactured.

本項目においては、以上のサンプルHおよびサンプルIについて、ESR測定を行う。
ESR測定はゼーマン効果を利用した物質中の孤立電子の測定方法である。サンプルに特
定の振動数νのマイクロ波を照射しながら、サンプルにかかる磁場Hを掃引することによ
って、特定の磁場Hにおいてサンプル中の孤立電子がマイクロ波を吸収して、磁場に平行
なスピンのエネルギー準位から磁場に反平行なスピンのエネルギー準位に遷移する。この
ときサンプル中の孤立電子に吸収されるマイクロ波の振動数νとサンプルにかかる磁場H
の関係は以下の式で表すことができる。
In this item, ESR measurement is performed for the above sample H and sample I.
ESR measurement is a method for measuring lone electrons in a substance using the Zeeman effect. By sweeping the magnetic field H applied to the sample while irradiating the sample with microwaves having a specific frequency ν, the lone electrons in the sample absorb the microwaves in the specific magnetic field H, and spins parallel to the magnetic field are generated. Transition from energy level to spin energy level antiparallel to magnetic field. At this time, the frequency ν of the microwave absorbed by the lone electrons in the sample and the magnetic field H applied to the sample
This relationship can be expressed by the following equation.

ここで、hはプランク定数、μはボーア磁子である。そしてgはg値と呼ばれる係数
であり、物質中の孤立電子にかかる局所磁場に応じて変化する、つまり、上式からg値を
求めることにより、ダングリングボンドなどの孤立電子の環境を知ることができる。
Here, h is the Planck constant and μ B is the Bohr magneton. And g is a coefficient called g value, which changes according to the local magnetic field applied to the lone electrons in the substance, that is, knowing the environment of lone electrons such as dangling bonds by obtaining the g value from the above equation. Can do.

本実施例において、ESR測定はブルカー社製E500を用いて行い、測定条件は、測
定温度を室温とし、マイクロ波周波数9.5GHz、マイクロ波電力0.2mWとした。
In this example, ESR measurement was performed using E500 manufactured by Bruker, and the measurement conditions were a measurement temperature of room temperature, a microwave frequency of 9.5 GHz, and a microwave power of 0.2 mW.

以上のサンプルHおよびサンプルIについて、ESR測定を行った結果を図22のグラ
フに示す。図22に示すグラフは、縦軸にマイクロ波の吸収強度の一次微分をとり、横軸
にg値をとる。
The graph of FIG. 22 shows the results of the ESR measurement performed on Sample H and Sample I above. In the graph shown in FIG. 22, the vertical axis represents the first derivative of the absorption intensity of the microwave, and the horizontal axis represents the g value.

図22のグラフに示すように、サンプルIではマイクロ波の吸収に対応するシグナルは
観測されなかったが、サンプルHではg=1.93近傍においてマイクロ波の吸収に対応
するシグナルが観測された。g=1.93近傍のシグナルの積分値を計算することにより
、当該マイクロ波の吸収に対応する孤立電子のスピン密度1.3×1018(spins
/cm)が求められる。なお、サンプルIにおいては、マイクロ波の吸収が検出下限以
下ということになるので、サンプルIの孤立電子のスピン密度は1×1016(spin
s/cm)以下となる。
As shown in the graph of FIG. 22, no signal corresponding to microwave absorption was observed in sample I, but in sample H, a signal corresponding to microwave absorption was observed in the vicinity of g = 1.93. By calculating the integral value of the signal in the vicinity of g = 1.93, the spin density 1.3 × 10 18 (spins of lone electrons corresponding to the absorption of the microwave concerned.
/ Cm 3 ) is required. In sample I, since the absorption of microwaves is below the detection lower limit, the spin density of lone electrons in sample I is 1 × 10 16 (spin
s / cm 3 ) or less.

ここで、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体膜中においてg=1.93の近傍のシグ
ナルがどのようなダングリングボンドに帰属するかを調べるために量子化学計算を行った
。具体的な計算手法としては、金属原子が酸素欠陥に対応するダングリングボンドを有す
るようなクラスターモデルを作って構造最適化を行い、構造最適化されたモデルについて
g値の計算を行った。
Here, in order to investigate what dangling bond the signal in the vicinity of g = 1.93 belongs to in the In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor film, quantum chemical calculation was performed. As a specific calculation method, a cluster model in which metal atoms have dangling bonds corresponding to oxygen defects was made to optimize the structure, and a g value was calculated for the structure optimized model.

モデルの構造最適化および構造最適化されたモデルのg値の計算にはADF(Amst
erdam Density Functional software)を用いた。ま
た、モデルの構造最適化および構造最適化されたモデルのg値の計算共に、汎関数にはG
GA:BPを、基底関数にはTZ2Pを用いた。また、Core Typeとして、モデ
ルの構造最適化にはLargeを、g値の計算にはNoneを用いている。
ADF (Amst) is used for the structural optimization of the model and the calculation of the g-value of the structurally optimized model.
erdam Density Functional software) was used. In addition, both the structure optimization of the model and the calculation of the g value of the structure optimized model include G
GA: BP was used, and TZ2P was used as the basis function. Also, as Core Type, Large is used for model structure optimization, and None is used for calculation of the g value.

上述の量子化学計算によって求めた、In−Ga−Zn−O系酸化物半導体膜中におけ
るダングリングボンドのモデルを図23に示す。図23は、インジウム−酸素結合の酸素
欠陥によるダングリングボンド(g=1.984)と、ガリウム−酸素結合の酸素欠陥に
よるダングリングボンド(g=1.995)と、亜鉛−酸素結合の酸素欠陥によるダング
リングボンド(g=1.996)とを示している。これらのダングリングボンドのg値は
、サンプルHのマイクロ波の吸収に対応するシグナルのg=1.93に比較的近い値とな
っている。つまり、サンプルHにおいて、インジウム、ガリウムまたは亜鉛のいずれか一
または複数と酸素との結合に酸素欠陥が発生した可能性が示唆されている。
FIG. 23 shows a model of dangling bonds in the In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor film obtained by the above-described quantum chemical calculation. 23 shows a dangling bond (g = 1.984) due to an oxygen defect of an indium-oxygen bond, a dangling bond (g = 1.995) due to an oxygen defect of a gallium-oxygen bond, and an oxygen of a zinc-oxygen bond. It shows dangling bonds (g = 1.996) due to defects. The g values of these dangling bonds are relatively close to g = 1.93 of the signal corresponding to the absorption of the microwave of sample H. That is, it is suggested that in the sample H, oxygen defects may be generated in the bond between one or more of indium, gallium, and zinc and oxygen.

しかし、サンプルIにおいてはg=1.93近傍にマイクロ波の吸収に対応するシグナ
ルが現れていない。これは、酸化物半導体膜の成膜後に乾燥雰囲気下で加熱処理を行うこ
とにより、酸素欠陥に酸素が補充されたということを示唆している。上述の実施の形態に
おいて述べたように、酸化物半導体膜中の酸素欠陥は電気伝導度を変化させるキャリアと
して機能しうるので、当該酸素欠陥を低減することにより、酸化物半導体膜を用いたトラ
ンジスタの信頼性を向上させることができる。
However, in sample I, no signal corresponding to microwave absorption appears in the vicinity of g = 1.93. This suggests that oxygen is replenished to oxygen defects by performing heat treatment in a dry atmosphere after the formation of the oxide semiconductor film. As described in the above embodiment, the oxygen defect in the oxide semiconductor film can function as a carrier that changes electrical conductivity. Therefore, by reducing the oxygen defect, a transistor including the oxide semiconductor film is used. Reliability can be improved.

よって、本発明の一態様に係る、c軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導
体膜は、成膜後に加熱処理を行い、酸素欠陥に酸素を補充することが好ましく、ESR測
定におけるg=1.93近傍のスピン密度が1.3×1018(spins/cm)よ
り小さいことが好ましく、さらに、スピン密度が1×1016(spins/cm)以
下となることがより好ましい。
Therefore, the oxide semiconductor film including a crystalline region with c-axis alignment according to one embodiment of the present invention is preferably subjected to heat treatment after formation so that oxygen defects are supplemented with oxygen. The spin density near g = 1.93 is preferably smaller than 1.3 × 10 18 (spins / cm 3 ), and the spin density is more preferably 1 × 10 16 (spins / cm 3 ) or less. .

<3.低温PL測定>
本項目では、先の実施の形態に従って酸化物半導体膜を作製し、当該酸化物半導体膜を
低温フォトルミネッセンス(PL:photoluminescence)測定を用いて
評価した結果について説明する。
<3. Low temperature PL measurement>
In this item, a result of manufacturing an oxide semiconductor film according to the above embodiment and evaluating the oxide semiconductor film by using low temperature photoluminescence (PL) measurement will be described.

本項目では、スパッタリング法を用いて石英基板上に、成膜時の基板温度200℃で酸
化物半導体膜を成膜したサンプルJと、成膜時の基板温度400℃で酸化物半導体膜を成
膜したサンプルKを作製した。つまり、サンプルJはc軸が配向した結晶性を有する領域
を含まない酸化物半導体膜であり、サンプルKはc軸が配向した結晶性を有する領域を含
む酸化物半導体膜である。酸化物半導体膜の成膜ターゲットは、In:Ga
:ZnO=1:1:2[mol数比]の組成比を有するものを用いた。他の成膜条件は、
成膜ガス流量をアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス15sccmとし、圧力0.4
Pa、基板−ターゲット間距離60mm、高周波(RF)電源0.5kW、膜厚100n
mとした。
In this item, Sample J, in which an oxide semiconductor film is formed on a quartz substrate by a sputtering method at a substrate temperature of 200 ° C., and an oxide semiconductor film are formed at a substrate temperature of 400 ° C. at the time of film formation. A filmed sample K was prepared. That is, Sample J is an oxide semiconductor film that does not include a crystalline region in which the c-axis is aligned, and Sample K is an oxide semiconductor film that includes a crystalline region in which the c-axis is aligned. The deposition target of the oxide semiconductor film is In 2 O 3 : Ga 2 O 3
: A composition having a composition ratio of ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio] was used. Other deposition conditions are:
The deposition gas flow rate was set to 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas, and the pressure was 0.4
Pa, substrate-target distance 60 mm, radio frequency (RF) power supply 0.5 kW, film thickness 100 n
m.

さらに酸化物半導体膜の成膜後、サンプルJおよびサンプルKともに、当該酸化物半導
体膜を成膜した石英基板に加熱処理を行った。加熱処理は、露点−24℃の乾燥雰囲気下
において、加熱温度450℃、加熱時間1時間で行った。このようにして、酸化物半導体
膜を石英基板上に成膜した、サンプルJおよびサンプルKを作製した。
Further, after the oxide semiconductor film was formed, in both Sample J and Sample K, the quartz substrate over which the oxide semiconductor film was formed was subjected to heat treatment. The heat treatment was performed in a dry atmosphere having a dew point of −24 ° C. with a heating temperature of 450 ° C. and a heating time of 1 hour. In this manner, Sample J and Sample K in which an oxide semiconductor film was formed over a quartz substrate were manufactured.

本項目においては、以上のサンプルJおよびサンプルKについて、低温PL測定を行う
。低温PL測定では、極低温雰囲気下で励起光をサンプルに照射してエネルギーを与えて
、サンプル中に電子と正孔を生じさせながら、励起光の照射を止めて、励起光照射により
生じた電子と正孔が再結合することによる発光をCCD(Charge Coupled
Device)などを用いて検出する。
In this item, the above-mentioned sample J and sample K are subjected to low-temperature PL measurement. In low-temperature PL measurement, the sample is irradiated with excitation light in a cryogenic atmosphere to give energy, and electrons and holes are generated in the sample. Light emission due to recombination of holes with holes is CCD (Charge Coupled)
Device) or the like.

本実施例において、低温PL測定はヘリウムガス雰囲気において測定温度を10Kとし
て行った。励起光は、He−Cdガスレーザ発振器を用いて、波長325nmの光を照射
した。また、発光の検出にはCCDを用いた。
In this example, the low temperature PL measurement was performed in a helium gas atmosphere at a measurement temperature of 10K. Excitation light was irradiated with light having a wavelength of 325 nm using a He—Cd gas laser oscillator. A CCD was used to detect light emission.

サンプルJおよびサンプルKについて、低温PL測定で検出した発光スペクトルを図2
4のグラフに示す。図24に示すグラフは、縦軸にPL発光検出カウント(counts
)をとり、横軸に検出した発光のエネルギー(eV)をとる。
The emission spectra detected by the low temperature PL measurement for sample J and sample K are shown in FIG.
This is shown in the graph of FIG. The graph shown in FIG. 24 shows the PL emission detection count (counts) on the vertical axis.
) And the detected emission energy (eV) on the horizontal axis.

図24のグラフより、サンプルJ、サンプルKともに発光エネルギー1.8eV近傍に
ピークを持つが、サンプルJよりサンプルKの方がPL発光検出カウント数が100程度
少ないことが分かる。なお、サンプルJおよびサンプルKの発光エネルギー3.2eV近
傍のピークは、低温PL測定装置の石英窓に由来するものである。
From the graph of FIG. 24, both the sample J and the sample K have a peak in the vicinity of the emission energy of 1.8 eV, but it can be seen that the sample K has a PL emission detection count of about 100 less than the sample J. Note that the peak in the vicinity of the emission energy of 3.2 eV of sample J and sample K is derived from the quartz window of the low-temperature PL measurement device.

ここで、図24のグラフに示す1.8eV近傍のピークは、当該酸化物半導体膜のバン
ド構造において伝導帯下端から1.8eV程度の深さにエネルギー準位が存在しているこ
とを示唆している。このバンドギャップ中の深いエネルギー準位は、図3の電子状態密度
計算の結果に示す、酸素欠陥に起因するトラップ準位と符合している。よって、図24の
グラフに示す1.8eV近傍の発光ピークは、図4に示すバンドダイアグラム中の酸素欠
陥に起因するトラップ準位のエネルギー準位を表していると考えることができる。つまり
、サンプルKにおいて1.8eV近傍の発光検出カウント数がサンプルJより少ないとい
うことは、c軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜の方が、酸素欠陥に
起因するトラップ準位の数が低減されている、つまり、酸素欠陥の数が低減されているこ
とが考えられる。
Here, the peak near 1.8 eV shown in the graph of FIG. 24 suggests that an energy level exists at a depth of about 1.8 eV from the lower end of the conduction band in the band structure of the oxide semiconductor film. ing. The deep energy level in the band gap coincides with the trap level caused by the oxygen defect shown in the result of the electronic density of states calculation in FIG. Therefore, it can be considered that the light emission peak near 1.8 eV shown in the graph of FIG. 24 represents the energy level of the trap level caused by the oxygen defect in the band diagram shown in FIG. That is, in sample K, the emission detection count in the vicinity of 1.8 eV is smaller than that in sample J. This indicates that the oxide semiconductor film including a crystalline region in which the c-axis is aligned has a trap level caused by oxygen defects. It is conceivable that the number of positions is reduced, that is, the number of oxygen defects is reduced.

<4.光負バイアス劣化測定>
本実施例では、先の実施の形態に従って酸化物半導体膜を用いたトランジスタを作製し
、当該トランジスタに光を照射しながらゲートに負電圧を印加してストレスを与え、スト
レスを与えた時間に応じて変化するトランジスタのしきい値電圧を評価した結果について
説明する。なお、このようなストレスによりトランジスタのしきい値電圧などが変化する
ことを光負バイアス劣化という。
<4. Measurement of optical negative bias degradation>
In this example, a transistor using an oxide semiconductor film was manufactured according to the above embodiment, and a negative voltage was applied to the gate while irradiating the transistor with light, and the stress was applied. The results of evaluating the threshold voltage of a transistor that changes in accordance with the above will be described. Note that the change in the threshold voltage of the transistor due to such stress is called optical negative bias deterioration.

本項目では、先の実施の形態に示す、c軸が配向した結晶性を有する領域が形成された
酸化物半導体膜を設けたトランジスタ(サンプルL)と、比較例としてサンプルLと同様
の材料からなるが、c軸が配向した結晶性を有する領域が形成されていない酸化物半導体
膜を設けたトランジスタ(サンプルM)と、を作製した。そしてサンプルLおよびサンプ
ルMに光を照射しながらゲートに負電圧を印加してストレスを与え、ストレスを与えた時
間に応じて変化するサンプルLおよびサンプルMのしきい値電圧Vthを評価した。以下
にサンプルLおよびサンプルMの作製方法について説明する。
In this item, the transistor (sample L) provided with the oxide semiconductor film in which the crystalline region with the c-axis aligned is formed as described in the above embodiment, and a material similar to that of the sample L as a comparative example. Thus, a transistor (sample M) provided with an oxide semiconductor film in which a crystalline region in which the c-axis was aligned was not formed was manufactured. Then, a negative voltage was applied to the gate while irradiating light to the sample L and the sample M to give a stress, and the threshold voltage Vth of the sample L and the sample M that changed according to the time of applying the stress was evaluated. A method for manufacturing Sample L and Sample M will be described below.

まず、プラズマCVD法を用いて、下地膜として膜厚100nmの窒化シリコン膜、お
よび膜厚150nmの酸化窒化シリコン膜を連続してガラス基板上に成膜し、続いて酸化
窒化シリコン膜上に、スパッタリング法を用いて膜厚100nmのタングステン膜を成膜
した。ここで、タングステン膜を選択的にエッチングすることにより、テーパー形状を有
するゲート電極を形成した。それから、ゲート電極上に、プラズマCVD法を用いてゲー
ト絶縁膜として膜厚100nmの酸化窒化シリコン膜を成膜した。
First, using a plasma CVD method, a silicon nitride film with a thickness of 100 nm and a silicon oxynitride film with a thickness of 150 nm are successively formed on a glass substrate as a base film, and then on the silicon oxynitride film, A tungsten film having a thickness of 100 nm was formed by a sputtering method. Here, the tungsten film was selectively etched to form a gate electrode having a tapered shape. Then, a 100-nm-thick silicon oxynitride film was formed as a gate insulating film over the gate electrode by a plasma CVD method.

次に、ゲート絶縁膜上にスパッタリング法を用いて酸化物半導体膜を成膜した。ここで
、サンプルLの酸化物半導体膜は、種結晶として機能する膜厚5nmの酸化物半導体膜上
に膜厚30nmの酸化物半導体膜を積層して、c軸が配向した結晶性を有する領域が形成
されるように加熱処理を行って形成される。サンプルMの酸化物半導体膜は、膜厚25n
mの酸化物半導体膜に加熱処理を行って形成される。
Next, an oxide semiconductor film was formed over the gate insulating film by a sputtering method. Here, the oxide semiconductor film of Sample L is a region having a crystallinity in which the c-axis is oriented by stacking an oxide semiconductor film with a thickness of 30 nm over an oxide semiconductor film with a thickness of 5 nm that functions as a seed crystal. It is formed by performing heat treatment so as to form. The oxide semiconductor film of sample M has a film thickness of 25n.
The m oxide semiconductor film is formed by heat treatment.

まず、サンプルLの酸化物半導体膜の作製方法について説明する。種結晶として機能す
る酸化物半導体膜はスパッタリング法を用いて成膜し、成膜ターゲットとして、In
:Ga:ZnO=1:1:2[mol数比]の組成比を有するものを用いた。他
の成膜条件は、成膜時の基板温度200℃、成膜ガス流量の割合を酸素ガス50%、アル
ゴンガス50%とし、圧力0.6Pa、基板−ターゲット間距離100mm、直流(DC
)電源5kW、膜厚5nmとした。成膜後、窒素雰囲気下で加熱温度450℃、加熱時間
1時間で加熱処理を行い、種結晶として機能する酸化物半導体膜の結晶化を行った。それ
から、種結晶として機能する酸化物半導体膜上に、スパッタリング法を用いて膜厚30n
mの酸化物半導体膜を、種結晶として機能する酸化物半導体膜と同じ成膜条件で成膜し、
オーブンを用いて窒素雰囲気下で加熱温度450℃、加熱時間1時間で加熱処理を行い、
さらに窒素と酸素の混合雰囲気下で加熱温度450℃、加熱時間1時間で加熱処理を行っ
て、c軸が配向した結晶性を有する領域が形成された酸化物半導体膜を成膜した。
First, a method for manufacturing the oxide semiconductor film of Sample L is described. The oxide semiconductor film functioning as a seed crystal is formed by a sputtering method, and In 2 O is used as a film formation target.
A compound having a composition ratio of 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio] was used. The other film formation conditions are as follows: the substrate temperature during film formation is 200 ° C., the ratio of the film formation gas flow rate is 50% oxygen gas and 50% argon gas, the pressure is 0.6 Pa, the substrate-target distance is 100 mm, and the direct current (DC
) The power source was 5 kW and the film thickness was 5 nm. After the film formation, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at a heating temperature of 450 ° C. and a heating time of 1 hour to crystallize the oxide semiconductor film functioning as a seed crystal. Then, a film thickness of 30 n is formed over the oxide semiconductor film functioning as a seed crystal by a sputtering method.
m oxide semiconductor film is formed under the same film formation conditions as the oxide semiconductor film functioning as a seed crystal,
Heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere using an oven at a heating temperature of 450 ° C. and a heating time of 1 hour,
Further, heat treatment was performed in a mixed atmosphere of nitrogen and oxygen at a heating temperature of 450 ° C. for a heating time of 1 hour, so that an oxide semiconductor film in which a crystalline region with c-axis orientation was formed was formed.

また、サンプルMの酸化物半導体膜もスパッタリング法を用いて成膜し、成膜ターゲッ
トとして、In:Ga:ZnO=1:1:2[mol数比]の組成比を有す
るものを用いた。他の成膜条件は、成膜時の基板温度200℃、成膜ガス流量の割合を酸
素ガス50%、アルゴンガス50%とし、圧力0.6Pa、基板−ターゲット間距離10
0mm、直流(DC)電源5kW、膜厚25nmとした。成膜後、RTA(Rapid
Thermal Annealing)法を用いて窒素雰囲気下で加熱温度650℃、加
熱時間6分間で加熱処理を行い、さらにオーブンを用いて窒素と酸素の混合雰囲気下で加
熱温度450℃、加熱時間1時間で加熱処理を行って、c軸が配向した結晶性を有する領
域が形成されていない酸化物半導体膜を成膜した。
In addition, the oxide semiconductor film of Sample M was formed by a sputtering method, and a composition ratio of In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio] was used as a film formation target. What I have was used. Other film forming conditions are as follows: the substrate temperature during film formation is 200 ° C., the ratio of the film forming gas flow rate is 50% oxygen gas and 50% argon gas, the pressure is 0.6 Pa, and the substrate-target distance is 10%.
The thickness was 0 mm, the direct current (DC) power source was 5 kW, and the film thickness was 25 nm. After film formation, RTA (Rapid
Thermal annealing is performed in a nitrogen atmosphere using a heating temperature of 650 ° C. for a heating time of 6 minutes, and further using an oven in a mixed atmosphere of nitrogen and oxygen at a heating temperature of 450 ° C. for a heating time of 1 hour. Treatment was performed to form an oxide semiconductor film in which a crystalline region with the c-axis aligned was not formed.

次に、酸化物半導体膜上に、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜を積層した導電膜を
、スパッタリング法を用いて成膜し、当該導電膜を選択的にエッチングしてソース電極お
よびドレイン電極を形成した。それから第1の層間絶縁膜として膜厚400nmの酸化シ
リコン膜を成膜した。さらに、第2の層間絶縁膜として膜厚1.5μmのアクリル樹脂か
らなる絶縁膜を成膜した。最後に窒素雰囲気下で加熱温度250℃、加熱時間1時間で加
熱処理を行って、サンプルLおよびサンプルMを作製した。
Next, a conductive film in which a titanium film, an aluminum film, and a titanium film are stacked over the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, and the conductive film is selectively etched to form a source electrode and a drain electrode. Formed. Then, a 400 nm-thick silicon oxide film was formed as a first interlayer insulating film. Further, an insulating film made of acrylic resin having a thickness of 1.5 μm was formed as the second interlayer insulating film. Finally, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at a heating temperature of 250 ° C. and a heating time of 1 hour to prepare Sample L and Sample M.

以上のサンプルLおよびサンプルMについて、光を照射しながらゲートに負電圧を印加
してストレスを与え、ストレス時間に応じてサンプルLおよびサンプルMのId−Vg特
性を測定し、ストレスを与える前後のしきい値電圧の変化量を求めた。
With respect to the above samples L and M, a negative voltage is applied to the gate while irradiating light to apply stress, and the Id-Vg characteristics of the sample L and sample M are measured according to the stress time, before and after applying the stress. The amount of change in threshold voltage was determined.

上記ストレスは、室温の大気雰囲気下で与え、ゲート電圧を−20V、ドレイン電圧を
0.1V、ソース電圧を0Vとし、照射光の照度を36000(lx)とした。ストレス
時間は、100秒、300秒、600秒、1000秒、1800秒、3600秒、720
0秒、10000秒、18000秒、43200秒(12時間)としてサンプルLおよび
サンプルMのId−Vg特性の測定を行った。Id−Vg特性を測定する際は、ドレイン
電圧を+10Vとして、ゲート電圧を−10Vから+10Vの範囲で掃引し、他の条件は
ストレスを与えているときと同様にした。
The stress was applied in an air atmosphere at room temperature, the gate voltage was −20 V, the drain voltage was 0.1 V, the source voltage was 0 V, and the illuminance of irradiation light was 36000 (lx). The stress time is 100 seconds, 300 seconds, 600 seconds, 1000 seconds, 1800 seconds, 3600 seconds, 720
The Id-Vg characteristics of Sample L and Sample M were measured at 0 seconds, 10000 seconds, 18000 seconds, and 43200 seconds (12 hours). When measuring the Id-Vg characteristics, the drain voltage was set to +10 V, the gate voltage was swept in the range of -10 V to +10 V, and other conditions were the same as when stress was applied.

図25にサンプルLおよびサンプルMのしきい値電圧の変化量のグラフを示す。図25
に示すグラフは、縦軸にしきい値電圧の変化量ΔVth(V)をとり、横軸にストレス時
間(sec)をとる。
FIG. 25 shows a graph of the amount of change in threshold voltage of sample L and sample M. FIG.
In the graph shown in FIG. 5, the vertical axis represents the threshold voltage change ΔVth (V), and the horizontal axis represents the stress time (sec).

図25より、サンプルLのしきい値電圧の変化量ΔVthは最大で−1V程度であるの
に対して、サンプルMのしきい値電圧の変化量ΔVthの変動は最大で−2V程度もあり
、サンプルLのしきい値電圧の変化量ΔVthはサンプルMの約半分に低減されている。
From FIG. 25, the change amount ΔVth of the threshold voltage of the sample L is about −1V at the maximum, while the variation of the change amount ΔVth of the threshold voltage of the sample M is about −2V at the maximum. The amount of change ΔVth in the threshold voltage of the sample L is reduced to about half that of the sample M.

これにより、膜中にc軸が配向した結晶性を有する領域が形成された酸化物半導体膜を
用いたトランジスタは、光照射やゲート電圧のストレスに対してより安定した電気的特性
を有し、信頼性が向上していることが示された。
Thus, a transistor including an oxide semiconductor film in which a crystalline region with c-axis orientation is formed in the film has more stable electrical characteristics against light irradiation and gate voltage stress. It was shown that the reliability was improved.

<5.光応答欠陥評価法による測定>
本項目では、先の実施の形態に従って酸化物半導体膜を用いたトランジスタを作製し、
当該トランジスタに光応答欠陥評価法を用いて酸化物半導体膜の光照射に対する安定性を
評価した結果について説明する。
<5. Measurement by photoresponsive defect evaluation method>
In this item, a transistor including an oxide semiconductor film is manufactured according to the above embodiment,
The results of evaluating the stability of the oxide semiconductor film against light irradiation using the photoresponsive defect evaluation method for the transistor will be described.

本項目では、サンプルLおよびサンプルMと同様の方法を用いて作製したサンプルNお
よびサンプルOを用いて光応答欠陥評価法を行った。光応答欠陥評価法とは、半導体膜に
光照射を行うことにより流れる電流(光電流)の緩和を測定し、光電流の緩和のグラフを
指数関数の線形結合で表される式でフィッティングして緩和時間τを求め、緩和時間τか
ら当該半導体膜中の欠陥を評価する方法である。
In this item, the optical response defect evaluation method was performed using the sample N and the sample O which were produced using the same method as the sample L and the sample M. Photoresponse defect evaluation method is to measure the relaxation of the current (photocurrent) flowing by irradiating the semiconductor film with light, and fit the graph of the relaxation of the photocurrent with an expression expressed by an exponential linear combination This is a method for obtaining a relaxation time τ and evaluating defects in the semiconductor film from the relaxation time τ.

ここで、早い応答に対応する緩和時間τと、遅い応答に対応する緩和時間τ(τ
>τ)を用いて、電流IDを2項の指数関数の線形結合で表すと、以下の式となる。
Here, the relaxation time τ 1 corresponding to the fast response and the relaxation time τ 22 corresponding to the slow response).
Using> τ 1 ), the current ID is expressed by the linear combination of the exponential functions of the two terms.

本項目に示す光応答欠陥評価法においては、60秒の暗状態の後、照射光を600秒照
射し、照射光を止めて3000秒光電流の緩和を測定した。照射光は、波長400nm、
強度3.5mW/cmとし、サンプルNおよびサンプルOのゲート電極およびソース電
極は0Vに固定し、ドレイン電極に0.1Vの微小電圧を印加して光電流の電流値を測定
した。なお、サンプルNおよびサンプルOのチャネル長Lとチャネル幅Wは、L/W=3
0μm/10000μmとした。
In the photoresponsive defect evaluation method shown in this item, after the dark state for 60 seconds, the irradiation light was irradiated for 600 seconds, the irradiation light was stopped, and the relaxation of the photocurrent for 3000 seconds was measured. The irradiation light has a wavelength of 400 nm,
The intensity was set to 3.5 mW / cm 2 , the gate electrode and the source electrode of Sample N and Sample O were fixed at 0 V, and a minute voltage of 0.1 V was applied to the drain electrode, and the current value of the photocurrent was measured. The channel length L and the channel width W of the sample N and the sample O are L / W = 3
It was set to 0 μm / 10000 μm.

図26(A)および図26(B)にサンプルNおよびサンプルOの光応答欠陥評価法に
おける光電流の変化のグラフを示す。図26(A)および図26(B)に示すグラフは、
縦軸に光電流IDをとり、横軸に経過時間t(sec)をとる。また、図26(A)およ
び図26(B)に示すグラフを指数関数の線形結合で表される式でフィッティングすると
、以下の式で表される。
FIGS. 26A and 26B show graphs of changes in photocurrent in the photoresponsive defect evaluation method for sample N and sample O. FIG. The graphs shown in FIG. 26A and FIG.
The vertical axis represents photocurrent ID, and the horizontal axis represents elapsed time t (sec). Further, when the graphs shown in FIGS. 26A and 26B are fitted with an expression represented by a linear combination of exponential functions, the following expression is obtained.

図26(A)および図26(B)より、c軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化
物半導体膜を有するサンプルNの方がサンプルOより、光電流の最大値が小さく、緩和時
間τと緩和時間τも短かった。ここで、サンプルNの光電流の最大値Imaxは6.
2×10−11Aであり、緩和時間τは0.3秒、緩和時間τは39秒であった。そ
れに対して、サンプルOの光電流の最大値Imaxは8.0×10−9Aであり、緩和時
間τは3.9秒、緩和時間τは98秒であった。
26A and 26B, the maximum value of the photocurrent is smaller in sample N having an oxide semiconductor film including a crystalline region in which the c-axis is aligned, and the relaxation time is smaller than that in sample O. τ 1 and relaxation time τ 2 were also short. Here, the maximum value Imax of the photocurrent of the sample N is 6.
2 × 10 −11 A, relaxation time τ 1 was 0.3 seconds, and relaxation time τ 2 was 39 seconds. On the other hand, the maximum value Imax of the photocurrent of Sample O was 8.0 × 10 −9 A, the relaxation time τ 1 was 3.9 seconds, and the relaxation time τ 2 was 98 seconds.

サンプルN、サンプルOともに少なくとも2種類の緩和時間からなる指数関数の線形結
合により、光電流IDの緩和をフィッティングできることが示された。これは、サンプル
N、サンプルOともに光電流IDの緩和は、2種類以上の緩和過程を有することを示唆し
ている。これは、図5(A)および図5(B)に示す、2種類の再結合モデルによる光電
流の緩和過程と符合する。つまり、先の実施の形態で図5で示したバンド図のように、酸
化物半導体のバンドギャップ中にトラップ準位が存在することが示唆されている。
It has been shown that the relaxation of the photocurrent ID can be fitted by linear combination of exponential functions composed of at least two types of relaxation times for both the sample N and the sample O. This suggests that the relaxation of the photocurrent ID in both sample N and sample O has two or more types of relaxation processes. This coincides with the photocurrent relaxation process by two types of recombination models shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B). That is, it is suggested that a trap level exists in the band gap of the oxide semiconductor as in the band diagram shown in FIG. 5 in the above embodiment.

さらに、c軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜であるサンプルNの
方が、サンプルOより緩和時間τおよび緩和時間τも短くなった。これは、図5(A
)および図5(B)に示す再結合モデルにおいて、酸素欠陥に起因するトラップ準位がサ
ンプルNの方が少なくなったことを示唆している。つまり、c軸が配向した結晶性を有す
る領域が含まれることにより、トラップ準位として機能しうる酸化物半導体膜中の欠陥が
減少されたためであると考えることができる。
Furthermore, the relaxation time τ 1 and the relaxation time τ 2 of the sample N which is an oxide semiconductor film including a crystalline region with the c-axis oriented are shorter than those of the sample O. This is shown in FIG.
) And the recombination model shown in FIG. 5B suggest that the sample N has fewer trap levels due to oxygen defects. That is, it can be considered that a defect in the oxide semiconductor film that can function as a trap level is reduced by including a crystalline region in which the c-axis is aligned.

以上より、酸化物半導体膜中にc軸が配向した結晶性を有する領域が形成されることに
より、光照射に対してより安定な構造を取るようになることが分かった。よって、このよ
うな酸化物半導体膜をトランジスタに用いることで安定した電気的特性を有する、信頼性
の高いトランジスタを提供することができる。
As described above, it has been found that the formation of a crystalline region with the c-axis aligned in the oxide semiconductor film results in a more stable structure with respect to light irradiation. Thus, by using such an oxide semiconductor film for a transistor, a highly reliable transistor having stable electrical characteristics can be provided.

<6.TDS分析>
本項目では、先の実施の形態に従って酸化物半導体膜を作製し、当該酸化物半導体膜を
TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)分析を用
いて評価した結果について説明する。
<6. TDS analysis>
In this item, an oxide semiconductor film is manufactured according to the above embodiment, and a result of evaluating the oxide semiconductor film by using TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis will be described.

本項目では、スパッタリング法を用いて石英基板上に酸化物半導体膜を成膜し、成膜時
の基板温度が室温のサンプルP1と、成膜時の基板温度100℃のサンプルP2と、成膜
時の基板温度200℃のサンプルP3と、成膜時の基板温度300℃のサンプルP4と、
成膜時の基板温度400℃のサンプルP5を作製した。ここで、サンプルP1、サンプル
P2およびサンプルP3は、c軸が配向した結晶性を有する領域を含まない酸化物半導体
膜であり、サンプルP4およびサンプルP5は、c軸が配向した結晶性を有する領域を含
む酸化物半導体膜である。酸化物半導体膜の成膜ターゲットは、In:Ga
:ZnO=1:1:2[mol数比]の組成比を有するものを用いた。他の成膜条件は、
成膜ガス流量をアルゴンガス30sccmおよび酸素ガス15sccmとし、圧力0.4
Pa、基板−ターゲット間距離60mm、高周波(RF)電源0.5kW、膜厚50nm
とした。なお、石英基板については、TDS分析時に基板からの脱離ガスの要因を低減す
るために、予め乾燥雰囲気で850℃の熱処理を行った。
In this item, an oxide semiconductor film is formed on a quartz substrate by a sputtering method, a sample P1 having a substrate temperature of room temperature at the time of film formation, a sample P2 having a substrate temperature of 100 ° C. at the time of film formation, and a film formation. A sample P3 having a substrate temperature of 200 ° C., a sample P4 having a substrate temperature of 300 ° C. during film formation,
A sample P5 having a substrate temperature of 400 ° C. during film formation was produced. Here, the sample P1, the sample P2, and the sample P3 are oxide semiconductor films that do not include a region having crystallinity in which the c axis is oriented, and the sample P4 and the sample P5 are regions having crystallinity in which the c axis is oriented. An oxide semiconductor film containing The deposition target of the oxide semiconductor film is In 2 O 3 : Ga 2 O 3
: A composition having a composition ratio of ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio] was used. Other deposition conditions are:
The deposition gas flow rate was set to 30 sccm of argon gas and 15 sccm of oxygen gas, and the pressure was 0.4
Pa, substrate-target distance 60 mm, radio frequency (RF) power supply 0.5 kW, film thickness 50 nm
It was. The quartz substrate was preliminarily heat-treated at 850 ° C. in a dry atmosphere in order to reduce the cause of desorbed gas from the substrate during TDS analysis.

TDS分析とは、真空容器内のサンプルをハロゲンランプで加熱し、昇温中にサンプル
全体から発生するガス成分を四重極質量分析計(QMS:Quardrupole Ma
ss Spectrometer)で検出する分析手法である。検出されるガス成分はM
/z(質量/電荷)で区別され、質量スペクトルとして検出される。
In the TDS analysis, a sample in a vacuum vessel is heated with a halogen lamp, and a gas component generated from the entire sample during temperature rising is measured by a quadrupole mass spectrometer (QMS: Quadrupole Matrix).
This is an analysis method to detect with ss Spectrometer. The detected gas component is M
/ Z (mass / charge) and is detected as a mass spectrum.

本実施例において、TDS分析は電子科学株式会社製WA1000Sを用いて行った。
測定条件は、SEM電圧1500V、基板表面温度は室温から400℃、真空度1.5×
10−7Pa以下、Dwell Time0.2(sec/U)、昇温レート30(℃/
min)として、HOに相当するM/z=18の質量スペクトルを検出した。
In this example, TDS analysis was performed using WA1000S manufactured by Electronic Science Co., Ltd.
Measurement conditions are SEM voltage 1500V, substrate surface temperature is from room temperature to 400 ° C., vacuum degree 1.5 ×
10 −7 Pa or less, Dwell Time 0.2 (sec / U), temperature rising rate 30 (° C. /
min), a mass spectrum of M / z = 18 corresponding to H 2 O was detected.

サンプルP1乃至サンプルP5について、TDS分析を行った結果を図27のグラフに
示す。図27に示すグラフは、縦軸に脱離水分子量(M/z=18)[molecule
s/cm](counts)をとり、横軸に成膜時の基板温度(℃)をとる。ここで、
脱離水分子量とは、M/z=18の質量スペクトルの昇温温度300℃近傍の積分値を取
ることで求められる量であり、酸化物半導体膜中から脱離する水分子量である。なお、M
/z=18の質量スペクトルは、昇温温度100℃近傍にもピークが存在するが、これは
酸化物半導体膜の表面に吸着した水分量と考えられるので、脱離水分子量としてカウント
していない。
The results of TDS analysis for samples P1 to P5 are shown in the graph of FIG. In the graph shown in FIG. 27, the vertical axis represents the molecular weight of desorbed water (M / z = 18) [molecule.
s / cm 3 ] (counts), and the horizontal axis represents the substrate temperature (° C.) during film formation. here,
The desorbed water molecular weight is an amount obtained by taking an integral value in the vicinity of a temperature rising temperature of 300 ° C. of the mass spectrum of M / z = 18, and is a water molecular weight desorbed from the oxide semiconductor film. M
In the mass spectrum of / z = 18, there is also a peak near the temperature increase temperature of 100 ° C., but this is considered to be the amount of water adsorbed on the surface of the oxide semiconductor film, and thus is not counted as the molecular weight of desorbed water.

図27のグラフより、成膜時の基板温度が高くなるほど、各サンプルから脱離する水分
子量が少なくなることが分かる。よって、成膜時の基板温度を上昇させる、つまり、酸化
物半導体膜中にc軸が配向した結晶性を有する領域を形成することにより、当該酸化物半
導体膜中に含まれる、HO(水)分子に代表される、H(水素原子)を含む分子やイオ
ンを低減できるということができる。
From the graph of FIG. 27, it can be seen that the higher the substrate temperature during film formation, the smaller the molecular weight of water desorbed from each sample. Therefore, the substrate temperature at the time of film formation is increased, that is, by forming a region having crystallinity in which the c-axis is aligned in the oxide semiconductor film, H 2 O ( It can be said that molecules and ions containing H (hydrogen atom) represented by water) molecules can be reduced.

以上より、c軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜を形成することに
より、酸化物半導体膜中でキャリアの供給源となりうるHO(水)分子に代表される、
H(水素原子)を含む分子やイオンなどの不純物を低減することができる。これにより、
酸化物半導体膜の電気伝導度が変化することを防ぎ、当該酸化物半導体膜を用いたトラン
ジスタの信頼性を向上させることができる。
As described above, by forming an oxide semiconductor film including a crystalline region with c-axis alignment, the oxide semiconductor film is typified by H 2 O (water) molecules that can serve as a carrier supply source.
Impurities such as molecules and ions containing H (hydrogen atom) can be reduced. This
A change in electrical conductivity of the oxide semiconductor film can be prevented, and the reliability of the transistor including the oxide semiconductor film can be improved.

<7.二次イオン質量分析>
本項目では、先の実施の形態に従って酸化物半導体膜を作製し、当該酸化物半導体膜を
二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectr
ometry)を用いて評価した結果について説明する。
<7. Secondary ion mass spectrometry>
In this item, an oxide semiconductor film is manufactured according to the above embodiment, and the oxide semiconductor film is subjected to secondary ion mass spectrometry (SIMS).
The results of evaluation using (omemetry) will be described.

本項目では、スパッタリング法を用いて石英基板上に酸化物半導体膜を成膜し、成膜時
の基板温度が室温のサンプルQ1乃至サンプルQ7と、成膜時の基板温度400℃のサン
プルR1乃至サンプルR7を作製した。ここで、サンプルQ1乃至サンプルQ7は、c軸
が配向した結晶性を有する領域を含まない酸化物半導体膜であり、サンプルR1乃至サン
プルR7は、c軸が配向した結晶性を有する領域を含む酸化物半導体膜である。酸化物半
導体膜の成膜ターゲットは、In:Ga:ZnO=1:1:2[mol数比
]の組成比を有するものを用いた。他の成膜条件は、成膜ガス流量をアルゴンガス30s
ccmおよび酸素ガス15sccmとし、圧力0.4Pa、基板−ターゲット間距離60
mm、高周波(RF)電源0.5kW、膜厚300nmとした。なお、石英基板について
は、予め窒素雰囲気で1時間、850℃の熱処理を行った。
In this item, an oxide semiconductor film is formed on a quartz substrate by a sputtering method. Samples Q1 to Q7 having a substrate temperature of room temperature at the time of film formation and samples R1 to R7 having a substrate temperature of 400 ° C. at the time of film formation Sample R7 was produced. Here, the samples Q1 to Q7 are oxide semiconductor films that do not include a crystalline region in which the c-axis is aligned, and the samples R1 to R7 are oxides that include a crystalline region in which the c-axis is aligned. A semiconductor film. As a deposition target of the oxide semiconductor film, a target having a composition ratio of In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio] was used. Other film forming conditions are as follows: the film forming gas flow rate is set to argon gas 30 s.
ccm and oxygen gas 15 sccm, pressure 0.4 Pa, substrate-target distance 60
mm, a high frequency (RF) power supply of 0.5 kW, and a film thickness of 300 nm. Note that the quartz substrate was previously heat-treated at 850 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere.

さらに、サンプルQ2乃至サンプルQ7、サンプルR2乃至サンプルR7については、
酸化物半導体膜の成膜後、当該酸化物半導体膜を成膜した石英基板に加熱処理を行った。
加熱処理は、窒素雰囲気で所定の温度まで昇温し、酸素雰囲気に切り替えて所定の温度を
1時間保持し、それから酸素雰囲気で降温した。所定の温度は、サンプルQ2およびサン
プルR2は200℃、サンプルQ3およびサンプルR3は250℃、サンプルQ4および
サンプルR4は350℃、サンプルQ5およびサンプルR5は450℃、サンプルQ6お
よびサンプルR6は550℃、サンプルQ7およびサンプルR7は650℃とする。この
ようにして、酸化物半導体膜を石英基板上に成膜した、サンプルQ1乃至サンプルQ7、
サンプルR1乃至サンプルR7を作製した。
Further, for samples Q2 to Q7 and samples R2 to R7,
After the oxide semiconductor film was formed, heat treatment was performed on the quartz substrate over which the oxide semiconductor film was formed.
In the heat treatment, the temperature was raised to a predetermined temperature in a nitrogen atmosphere, switched to an oxygen atmosphere, held at the predetermined temperature for 1 hour, and then cooled in an oxygen atmosphere. The predetermined temperatures are 200 ° C. for sample Q2 and sample R2, 250 ° C. for sample Q3 and sample R3, 350 ° C. for sample Q4 and sample R4, 450 ° C. for sample Q5 and sample R5, 550 ° C. for sample Q6 and sample R6, Sample Q7 and sample R7 are set to 650 ° C. In this manner, samples Q1 to Q7 in which the oxide semiconductor film is formed over the quartz substrate are provided.
Samples R1 to R7 were produced.

本項目においては、以上のサンプルQ1乃至サンプルQ7、サンプルR1乃至サンプル
R7について、SIMS分析を行った。サンプルQ1乃至サンプルQ7のSIMS分析を
行った結果を図28(A)に、サンプルR1乃至サンプルR7のSIMS分析を行った結
果を図28(B)のグラフに示す。図28(A)および図28(B)のグラフの縦軸に水
素(H)の濃度(atoms/cm)をとり、横軸に酸化物半導体膜表面からの酸化物
半導体膜および石英基板の深さ(nm)をとっている。
In this item, SIMS analysis was performed on the above samples Q1 to Q7 and samples R1 to R7. FIG. 28A shows the results of SIMS analysis of samples Q1 to Q7, and FIG. 28B shows the results of SIMS analysis of samples R1 to R7. 28A and 28B, the vertical axis represents hydrogen (H) concentration (atoms / cm 3 ), and the horizontal axis represents the oxide semiconductor film and the quartz substrate from the surface of the oxide semiconductor film. Depth (nm).

図28(A)および図28(B)のグラフより、サンプルQ1とサンプルR1の酸化物
半導体膜中の水素濃度はほぼ同等であるが、サンプルR2乃至サンプルR7の酸化物半導
体膜中の水素濃度はサンプルQ2乃至サンプルQ7よりも低減されている傾向がある。こ
れは、酸化物半導体成膜時の基板温度が高い方が、後の加熱処理の際の水素の混入が起こ
りにくいことを示している。特に、サンプルQ3乃至サンプルQ5のグラフを見ると、加
熱処理の温度上昇に合わせて、酸化物半導体膜の表面側から水素が侵入し、酸化物半導体
膜の奧まで水素濃度が高い層が広がり、さらに温度を上げると酸化物半導体膜の表面側か
ら水素が脱離している様子が分かる。このように、酸化物半導体膜中にc軸が配向した結
晶性を有する領域を形成されない場合、加熱処理による水素の混入や脱離が起こる。しか
し、酸化物半導体膜中にc軸が配向した結晶性を有する領域を形成した、サンプルR2乃
至サンプルR7ではこのような挙動は見られない。
From the graphs of FIGS. 28A and 28B, the hydrogen concentrations in the oxide semiconductor films of the samples Q1 and R1 are substantially the same, but the hydrogen concentrations in the oxide semiconductor films of the samples R2 to R7 are the same. Tends to be reduced as compared with samples Q2 to Q7. This indicates that the higher the substrate temperature at the time of forming the oxide semiconductor film, the less likely that hydrogen is mixed during the subsequent heat treatment. In particular, when the graphs of Sample Q3 to Sample Q5 are viewed, hydrogen enters from the surface side of the oxide semiconductor film in accordance with the temperature increase of the heat treatment, and a layer having a high hydrogen concentration extends to the edge of the oxide semiconductor film. When the temperature is further increased, it can be seen that hydrogen is desorbed from the surface side of the oxide semiconductor film. In this manner, in the case where a crystalline region with the c-axis aligned is not formed in the oxide semiconductor film, hydrogen is mixed or desorbed by heat treatment. However, such behavior is not observed in Samples R2 to R7 in which a region having crystallinity in which the c-axis is oriented is formed in the oxide semiconductor film.

これは、酸化物半導体成膜時の基板温度を高くして、酸化物半導体膜中にc軸が配向し
た結晶性を有する領域を形成することにより、酸化物半導体膜中から水素が結合しやすい
ダングリングボンドなどが低減されているためだと考えることができる。
This is because the substrate temperature at the time of forming the oxide semiconductor is increased and a region having crystallinity in which the c-axis is oriented is formed in the oxide semiconductor film, whereby hydrogen is easily bonded from the oxide semiconductor film. It can be considered that dangling bonds have been reduced.

よって、酸化物半導体成膜時の基板温度を高くして、酸化物半導体膜中にc軸が配向し
た結晶性を有する領域を形成することにより、酸化物半導体膜中でキャリアの供給源とな
りうる水素が加熱処理により増大することを防ぐことができる。これにより、酸化物半導
体膜の電気伝導度が変化することを抑制し、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタの
信頼性を向上させることができる。
Therefore, by increasing the substrate temperature during oxide semiconductor film formation and forming a crystalline region with the c-axis aligned in the oxide semiconductor film, it can serve as a carrier supply source in the oxide semiconductor film. Hydrogen can be prevented from increasing due to heat treatment. Accordingly, a change in electrical conductivity of the oxide semiconductor film can be suppressed, and the reliability of the transistor including the oxide semiconductor film can be improved.

11 サイト
12 In原子
13 Ga原子
14 Zn原子
15 O原子
31 処理室
33 排気手段
35 ガス供給手段
37 電源装置
40 基板支持体
41 ターゲット
43 イオン
45 原子
47 原子
51 基板
53 下地絶縁膜
55 酸化物半導体膜
56 酸化物半導体膜
59 酸化物半導体膜
63 ゲート絶縁膜
65 ゲート電極
69 絶縁膜
120 トランジスタ
130 トランジスタ
140 トランジスタ
150 トランジスタ
160 トランジスタ
170 トランジスタ
180 トランジスタ
351 基板
353 下地絶縁膜
359 酸化物半導体膜
363 ゲート絶縁膜
365 ゲート電極
369 絶縁膜
371 金属酸化物膜
373 金属酸化物膜
55a 種結晶
55b 酸化物半導体膜
56a 種結晶
56b 酸化物半導体膜
61a ソース電極
61b ドレイン電極
361a ソース電極
361b ドレイン電極
500 基板
501 画素部
502 走査線駆動回路
503 走査線駆動回路
504 信号線駆動回路
510 容量配線
512 ゲート配線
513 ゲート配線
514 ドレイン電極層
516 トランジスタ
517 トランジスタ
518 液晶素子
519 液晶素子
520 画素
521 スイッチング用トランジスタ
522 駆動用トランジスタ
523 容量素子
524 発光素子
525 信号線
526 走査線
527 電源線
528 共通電極
1001 本体
1002 筐体
1004 キーボードボタン
1021 本体
1022 固定部
1023 表示部
1024 操作ボタン
1025 外部メモリスロット
1030 筐体
1031 筐体
1032 表示パネル
1033 スピーカー
1034 マイクロフォン
1035 操作キー
1036 ポインティングデバイス
1037 カメラ用レンズ
1038 外部接続端子
1040 太陽電池セル
1041 外部メモリスロット
1050 テレビジョン装置
1051 筐体
1052 記憶媒体再生録画部
1053 表示部
1054 外部接続端子
1055 スタンド
1056 外部メモリ
1003a 表示部
1003b 表示部
11 Site 12 In atom 13 Ga atom 14 Zn atom 15 O atom 31 Processing chamber 33 Exhaust means 35 Gas supply means 37 Power supply device 40 Substrate support 41 Target 43 Ion 45 Atom 47 Atom 51 Substrate 53 Base insulating film 55 Oxide semiconductor film 56 oxide semiconductor film 59 oxide semiconductor film 63 gate insulating film 65 gate electrode 69 insulating film 120 transistor 130 transistor 140 transistor 150 transistor 160 transistor 170 transistor 180 transistor 351 substrate 353 base insulating film 359 oxide semiconductor film 363 gate insulating film 365 Gate electrode 369 Insulating film 371 Metal oxide film 373 Metal oxide film 55a Seed crystal 55b Oxide semiconductor film 56a Seed crystal 56b Oxide semiconductor film 61a Source electrode 61b Drain electrode 361a Source electrode 361b Drain electrode 500 Substrate 501 Pixel portion 502 Scan line driver circuit 503 Scan line driver circuit 504 Signal line driver circuit 510 Capacitor wiring 512 Gate wiring 513 Gate wiring 514 Drain electrode layer 516 Transistor 517 Transistor 518 Liquid crystal element 519 Liquid crystal element 520 Pixel 521 Switching transistor 522 Driving transistor 523 Capacitor element 524 Light emitting element 525 Signal line 526 Scan line 527 Power line 528 Common electrode 1001 Main body 1002 Case 1004 Keyboard button 1021 Main body 1022 Fixed portion 1023 Display portion 1024 Operation button 1025 External memory slot 1030 Case 1031 Case 1032 Display panel 1033 Speaker 1034 Microphone 1035 Operation key 1036 Pointing device Scan 1037 a camera lens 1038 external connection terminals 1040 solar cells 1041 external memory slot 1050 television device 1051 housing 1052 storage medium recording and reproducing portion 1053 display unit 1054 external connection terminal 1055 Stand 1056 external memory 1003a display unit 1003b display unit

Claims (2)

酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の第2の金属酸化物膜と、
前記第2の金属酸化物膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、
前記酸化物半導体膜と前記第2の金属酸化物膜との間のソース電極と、
前記酸化物半導体膜と前記第2の金属酸化物膜との間のドレイン電極と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有し、
前記酸化物半導体膜は、c軸配向した結晶を有し、
前記ソース電極のチャネル長方向の両端部は、前記第2の金属酸化物膜によって覆われ、
前記ドレイン電極のチャネル長方向の両端部は、前記第2の金属酸化物膜によって覆われ、
前記第2の金属酸化物膜は、ガリウムと亜鉛とを有し、インジウムは有さず、
前記第2の金属酸化物膜は、酸化ガリウムに対する酸化亜鉛の物質量が50%未満であることを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor film;
A second metal oxide film on the oxide semiconductor film;
A gate insulating film on the second metal oxide film;
A gate electrode on the gate insulating film;
A source electrode between the oxide semiconductor film and the second metal oxide film;
A drain electrode between the oxide semiconductor film and the second metal oxide film,
The oxide semiconductor film includes indium, gallium, and zinc,
The oxide semiconductor film has c-axis oriented crystals,
Both ends of the source electrode in the channel length direction are covered with the second metal oxide film,
Both ends of the drain electrode in the channel length direction are covered with the second metal oxide film,
The second metal oxide film includes gallium and zinc, does not include indium,
In the semiconductor device, the second metal oxide film has a zinc oxide substance amount of less than 50% with respect to gallium oxide.
第1の金属酸化物膜と、
前記第1の金属酸化物膜上の酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上の第2の金属酸化物膜と、
前記第2の金属酸化物膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、
前記酸化物半導体膜と前記第2の金属酸化物膜との間のソース電極と、
前記酸化物半導体膜と前記第2の金属酸化物膜との間のドレイン電極と、を有し、
前記酸化物半導体膜は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有し、
前記酸化物半導体膜は、c軸配向した結晶を有し、
前記ソース電極のチャネル長方向の両端部は、前記第2の金属酸化物膜によって覆われ、
前記ドレイン電極のチャネル長方向の両端部は、前記第2の金属酸化物膜によって覆われ、
前記第2の金属酸化物膜は、ガリウムと、亜鉛とを有し、インジウムは有さず、
前記第2の金属酸化物膜は、酸化ガリウムに対する酸化亜鉛の物質量が50%未満であり、
前記第2の金属酸化物膜は、前記第1の金属酸化物膜と接する領域を有することを特徴とする半導体装置。
A first metal oxide film;
An oxide semiconductor film on the first metal oxide film;
A second metal oxide film on the oxide semiconductor film;
A gate insulating film on the second metal oxide film;
A gate electrode on the gate insulating film;
A source electrode between the oxide semiconductor film and the second metal oxide film;
A drain electrode between the oxide semiconductor film and the second metal oxide film,
The oxide semiconductor film includes indium, gallium, and zinc,
The oxide semiconductor film has c-axis oriented crystals,
Both ends of the source electrode in the channel length direction are covered with the second metal oxide film,
Both ends of the drain electrode in the channel length direction are covered with the second metal oxide film,
The second metal oxide film includes gallium and zinc, does not include indium,
In the second metal oxide film, the amount of zinc oxide relative to gallium oxide is less than 50%,
The semiconductor device, wherein the second metal oxide film has a region in contact with the first metal oxide film.
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